(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng cả B10, E10 và M10 tới trạng thái nhiệt của ống lót xi lanh động cơ lưỡng nhiên liệu cồn Diesel

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
----------------------------------

NGUYỄN TRỌNG QUÝ

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA B10, E10 VÀ M10
TỚI TRẠNG THÁI NHIỆT CỦA ỐNG LÓT XI LANH
ĐỘNG CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU CỒN - DIESEL

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực

Thái Nguyên - Năm 2018


ii

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái
Nguyên, Phòng Đào tạo và Khoa kỹ thuật Ô tô và Máy động lực đã cho phép tôi thực
hiện luận văn này. Xin cảm ơn Phòng Đào tạo và Khoa kỹ thuật Ô tô và Máy động
lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi học tập và làm luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Trung Kiên đã hướng dẫn tôi hết sức
tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận
văn.
Tôi xin cảm ơn lãnh đạo, các đồng nghiệp tại Cơ quan nơi tôi công tác đã tạo
điều kiện và động viên tôi trong suốt quá trình học tập.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội

đồng chấm luận văn đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể
hoàn chỉnh luận văn này.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những
người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi học tập.
Tuy nhiên do còn có hạn chế về thời gian cũng như kiến thức của bản thân nên
đề tài của tôi có thể còn nhiều thiếu sót. Tôi rất mong nhận được sự góp ý để luận
văn được hoàn thiện hơn.

Học viên


iii

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................... vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................ vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ...........................................................viii
1. Lý do chọn đề tài .................................................................................................... 1
2. Mục đích của đề tài ................................................................................................ 3
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn................................................................................ 3
* Ý nghĩa khoa học: ................................................................................................ 3
* Ý nghĩa thực tiễn: ................................................................................................. 4
4. Đối tượng nghiên cứu............................................................................................. 4
5. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................ 4
6. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................ 4
7. Nội dung nghiên cứu .............................................................................................. 4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ..................................... 5
1.1. Các nguồn năng lượng toàn cầu và tình trạng năng lượng hiện tại .................... 5
1.2. Yêu cầu cơ bản của nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong ............................... 6
1.3. Nhiên liệu thay thế .............................................................................................. 7

1.3.1. Phân loại ....................................................................................................... 7
1.3.2. Giới thiệu về nhiên liệu sinh học .................................................................. 9
1.3.3. Các loại nhiên liệu khác.............................................................................. 12
1.4. Viễn cảnh sử dụng nhiên liệu cho động cơ đốt trong ....................................... 14
1.5. Tổng quan về truyền nhiệt trong động cơ đốt trong ......................................... 15
1.5.1. Truyền nhiệt trong động cơ ......................................................................... 15
1.5.2. Các mô hình truyền nhiệt ............................................................................ 16
1.5.2.1. Trao đổi nhiệt dẫn nhiệt........................................................................ 16
1.5.2.2. Trao đổi nhiệt đối lưu ........................................................................... 18


iv

1.5.2.3. Trao đổi nhiệt bức xạ ............................................................................ 19
1.5.2.4. Quá trình trao đổi nhiệt tổng quát trong động cơ ................................ 20
1.6. Các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến nội dung đề tài ................. 21
1.7. Kết luận chương 1 ............................................................................................. 23
CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ............................................. 24
BẰNG PHẦN MỀM GT-POWER .......................................................................... 24
2.1. Giới thiệu phần mềm GT-Power ....................................................................... 24
2.1.1. Giới thiệu chung .......................................................................................... 24
2.1.2. Cửa sổ giao diện chính ............................................................................... 25
2.2. Thư viện các phần tử của GT-Power ................................................................ 26
2.3. Mô hình động cơ V12 ....................................................................................... 33
2.3.1. Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình động cơ................................................. 33
2.3.2. Xây dựng mô hình ....................................................................................... 36
2.3.3. Nhập dữ liệu cho mô hình ........................................................................... 37
2.4. Chạy mô hình (Run Simulation) ....................................................................... 41
2.5. Kết luận chương 2 ............................................................................................. 41
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ V12 ................. 42

VÀ TRẠNG THÁI NHIỆT ỐNG LÓT XILANH ................................................... 42
THEO CÁC LOẠI NHIÊN LIỆU KHẢO SÁT....................................................... 42
3.1. Kết quả tính toán các chỉ tiêu công tác của động cơ V12 ................................. 42
3.2. Hệ số truyền nhiệt và nhiệt độ của môi chất công tác khi sử dụng các nhiên liệu
D100, B10, E10 và M10........................................................................................... 47
3.3. Tính toán trường nhiệt độ ống lót xi lanh động cơ V12 khi sử dụng D100, B10,
E10 và M10 .............................................................................................................. 49
3.3.1. Mô hình hình học ống lót xi lanh động cơ V12 .......................................... 49
3.3.2. Các giả thiết và điều kiện biên của mô hình tính toán ............................... 50
3.4. Kết luận chương 3 ............................................................................................. 62


v

KẾT LUẬN CHUNG ............................................................................................... 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 65
PHỤ LỤC ................................................................................................................. 68


vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Diễn giải

B10

Nhiên liệu pha trộn 10% butanol và 90% diesel khoáng

E10

Nhiên liệu pha trộn 10% ethanol và 90% diesel khoáng

M10

Nhiên liệu pha trộn 10% methanol và 90% diesel khoáng

CNG

Khí nén thiên nhiên

LPG

Khí dầu mỏ hóa lỏng

GTL

Khí hóa lỏng

CTL

Than đá hóa lỏng

P

Áp suất môi chất công tác

T

Nhiệt độ môi chất công tác



Hệ số truyền nhiệt

BSFC

Suất tiêu hao nhiên liệu có ích



Hệ số dư lượng không khí

IMEP

Áp suất chỉ thị trung bình

BSAC

Suất tiêu hao không khí có ích


vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Phân loại nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong................................. 8
Bảng 2.1. Các phần tử chính của mô hình động cơ V12, [30] ............................... 37
Bảng 2.2. Các thông số đầu vào động cơ V12 sử dụng trong mô hình, [30] .......... 39
Bảng 3.1. Kết quả tính toán các chỉ tiêu công tác của động cơ V12 ....................... 43

Bảng 3.2. Kết quả tính toán và so sánh với số liệu của nhà sản xuất ...................... 44
theo đặc tính ngoài động cơ V12 [30] ..................................................................... 44
Bảng 3.3. Một số tính chất cơ bản của D100, B10, E10 và M10 [25], [29] ........... 45
Bảng 3.4. Các chỉ tiêu công tác của động cơ V12 ................................................... 46
khi sử dụng nhiên liệu D100, B10, E10 và M10 ..................................................... 46
Bảng 3.5. Thuộc tính vật liệu chế tạo ống lót xi lanh động cơ V12, [30] ............... 52


viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Kịch bản đa dạng hóa nhiên liệu ở châu Âu [8]......................................... 6
Hình 1.2. Các loại nhiên liệu thay thế dùng cho động cơ đốt trong [8] ................... 14
Hình 1.3. Sơ đồ phân bố nhiệt độ và dòng nhiệt ...................................................... 20
ngang thành vách buồng cháy .................................................................................. 20
Hình 1.4. Sơ đồ truyền nhiệt đối lưu tới thành buồng cháy, [2] .............................. 20
Hình 2.1. Cửa sổ giao diện GT-Power ..................................................................... 26
Hình 2.2. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử xy lanh ................................. 27
Hình 2.3. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử cơ cấu phân phối khí ........... 28
Hình 2.4. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử vòi phun ............................... 29
Hình 2.5. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử các thông số động cơ ........... 30
Hình 2.6. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử đường ống ........................... 31
Hình 2.7. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử dòng phân chia .................... 32
Hình 2.8. Các vùng của tia phun và quy luật đánh số các vùng, [2], [9] ................. 34
Hình 2.9. Hệ số trao đổi nhiệt theo góc quay trục khuỷu tính toán ......................... 36
theo phương trình của Woschni và Hohenberg, [2] ................................................. 36
Hình 2.10. Mô hình động cơ V12 ............................................................................ 37
Hình 3.1. Kết quả tính toán Me, Gnl và so sánh với số liệu của nhà sản xuất .......... 44
theo đặc tính ngoài của động cơ V12, [30] .............................................................. 44
Hình 3.2. Diễn biến nhiệt độ môi chất trong xi lanh động cơ.................................. 48

khi sử dụng các nhiên liệu D100, B10, E10 và M10 ............................................... 48
Hình 3.3. Hệ số truyền nhiệt từ môi chất tới thành vách buồng cháy...................... 48
khi sử dụng các nhiên liệu D100, B10, E10 và M10 ............................................... 48
Hình 3.4. Mô hình hình học của ống lót xi lanh động cơ V12 ................................ 50
Hình 3.5. Mô hình 2 miền xi lanh động cơ V12 ...................................................... 53
Hình 3.6. Mô hình trao đổi nhiệt của ống lót xi lanh động cơ V12 ......................... 57
Hình 3.7. Trường nhiệt độ ống lót xi lanh khi sử dụng nhiên liệu D100 ................ 60
Hình 3.8. Trường nhiệt độ ống lót xi lanh khi sử dụng nhiên liệu E10 ................... 60
Hình 3.9. Trường nhiệt độ ống lót xi lanh khi sử dụng nhiên liệu B10 ................... 61
Hình 3.10. Trường nhiệt độ ống lót xi lanh khi sử dụng nhiên liệu M10 ................ 61


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, cùng với sự tăng trưởng về số lượng xe cơ giới là sự gia tăng ô
nhiễm môi trường do khí thải độc hại từ động cơ của các phương tiện. Nguồn ô
nhiễm này gây ảnh hưởng lớn tới sức khỏe và cuộc sống của con người, đặc biệt
là ở các thành phố lớn có mật độ xe cơ giới và mật độ dân cư cao. Một trong các
giải pháp nhằm giải quyết vấn đề này là sử dụng các loại nhiên liệu thay thế, nhiên
liệu sinh học có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường. Do đó, việc nghiên
cứu và ứng dụng nhiên liệu sinh học trên các loại phương tiện trong giai đoạn hiện
nay là điều cần thiết.
Việc nghiên cứu phát triển và ứng dụng các loại nhiên liệu thay thế đang là
xu hướng chung của nhiều nước trên thế giới nhằm làm giảm sự phụ thuộc vào
nhiên liệu hóa thạch, đảm bảo an ninh năng lượng cũng như giảm tác động tới
môi trường đặc biệt là khí gây hiệu ứng nhà kính. Động cơ cháy do nén (động cơ
diesel) được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: nông nghiệp, giao thông vận
tải, máy phát điện… do ưu điểm nổi bật là hiệu suất cao; tuy nhiên trong sản phẩm

cháy lại chứa nhiều thành phần độc hại với con người và môi trường đặc biệt là ô
xít ni tơ (NOx) và chất ô nhiễm dạng hạt (PM - Particulate Matter). Sử dụng nhiên
liệu có nguồn gốc sinh học (bio-based fuels) trong động cơ diesel là một giải pháp
hiệu quả nhằm giảm phát sinh các thành phần độc hại trong khí xả. Một trong số
đó, nhiên liệu cồn (alcohol) là một trong những nhiên liệu tiềm năng nhằm giảm
phát thải và sự lệ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Alcohol là loại nhiên liệu phù
hợp để pha trộn với nhiên liệu diesel, do bản chất nó là nhiên liệu lỏng và chứa
hàm lượng ô xi cao. Trong các loại nhiên liệu alcohol, các nhiện liệu alcohol chứa
hàm lượng các bon thấp (chứa 3 hoặc ít hơn 2 nguyên tố cacbon) như methanol
và ethanol hiện được coi là những nhiên liệu pha trộn với nhiên liệu diesel khoáng
nhận được nhiều sự quan tâm do ưu điểm về công nghệ sản xuất và có hàm lượng
ô xi cao, do đó cải thiện đáng kể đặc tính cháy và đặc tính phát thải. Tuy nhiên,
do số cetane thấp và nhiệt ẩn bay hơi cao cũng như vấn đề hòa trộn làm cản trở


2

việc sử dụng các alcohol có hàm lượng các bon thấp làm nhiên liệu thay thế cho
động cơ diesel. Nhiên liệu alcohol có hàm lượng các bon cao (chứa từ 4 nguyên
tố các bon trở lên) có nhiều triển vọng làm nhiên liệu thay thế hơn so với nhiên
liệu alcohol hàm lượng các bon thấp do chúng có số cetane và nhiệt trị cao hơn
cũng như khả năng hòa trộn tốt hơn.
Hiện nay có 4 phương pháp phổ biến nhất để hình thành lên chế độ vận
hành lưỡng nhiên liệu cồn - diesel (alcohol - diesel) trong động cơ cháy do nén,
đó là:
1. Phun hơi cồn (Alcohol Fumigation): trong phương pháp này, nhiên liệu alcohol
được đưa vào đường ống nạp của động cơ thông qua vòi phun hoặc chế hòa khí.
2. Pha trộn cồn - diesel (alcohol - diesel blend): trong phương pháp này, nhiên
liệu alcohol và diesel được hòa trộn theo tỷ lệ nhất định trước để tạo thành hỗn
hợp đồng nhất và sau đó được phun trục tiếp vào xi lanh thông qua các vòi phun.

3. Nhũ tương cồn - diesel (Alcohol - diesel emulsification): theo phương pháp này,
sử dụng chất chuyển thể sữa để hòa trộn hỗn hợp nhiên liệu nhằm ngăn chặn sự
phân ly.
4. Phun kép (Dual injection): theo đó, sử dụng 2 hệ thống phun riêng rẽ để phun
nhiên liệu cồn và diesel vào xi lanh.
Trong đó phương pháp phun hơi cồn vào đường nạp và pha trộn cồn - diesel
được sử dụng phổ biến hơn cả. Đã có nhiều công trình nghiên cứu về ảnh hưởng
của của tỷ lệ cồn đến hiệu suất, đặc tính cháy và đặc tính phát thải của động cơ
diesel [11  29], tuy nhiên các công trình này chỉ trình bày kết quả nghiên cứu
thực nghiệm; một số ít trình bày về mô phỏng số nhưng các thuật toán và chương
trình mô phỏng không được giới thiệu chi tiết; chính vì vậy, mô phỏng đặc tính
của loại động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel là cần thiết để làm chủ công nghệ,
cũng như ứng dụng vào thực tiễn tại Việt Nam nhằm giảm ô nhiễm môi trường từ
các động cơ diesel đang lưu hành. Như ta đã biết, do tốc độ tỏa nhiệt của hỗn hợp
cồn - diesel lớn hơn so với nhiên liệu diesel truyền thống do thời gian cháy trễ kéo
dài hơn và do nhiên liệu alcohol có chứa hàm lượng ô xi cao; tuy nhiên vấn đề


3

này chưa thấy đề cập trong các công trình nghiên cứu gần đây, do đó nghiên cứu
ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu cồn - diesel tới trạng thái nhiệt của các chi tiết
bao quanh buồng cháy là cần thiết. Chính vì vậy, tác giả lựa chọn đề tài: “Nghiên
cứu ảnh hưởng của B10, E10 và M10 tới trạng thái nhiệt của ống lót xi lanh
động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel” làm đề tài luận văn cao học của mình.
2. Mục đích của đề tài
- Mục đích của luận văn là đưa ra được “bức tranh” về ảnh hưởng của của 3 loại
nhiên liệu diesel sinh học có tỷ lệ pha trộn cồn 10% như (B10 - 10% Butanol; E10
- 10% Ethanol và M10 - 10% Methanol) đến trạng thái nhiệt của ống lót xi lanh
động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel.

- Xây dựng mô hình động cơ lưỡng nhiên liệu (bằng phần mềm GT-Power) và
mô hình tính toán trạng thái nhiệt ống lót xi lanh bằng phương pháp phần tử hữu
hạn dựa trên phần mềm ANSYS;
- Trên cơ sở mô hình, tác giả đánh giá ảnh hưởng của 3 loại nhiên liệu diesel
sinh học B10, E10 và M10 đến các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của động cơ, cũng
như đánh giá sự ảnh hưởng của chúng tới trạng thái nhiệt của ống lót xi lanh.
- Trên cơ sở kết quả mô phỏng số đưa ra một số kết luận và kiến nghị.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
* Ý nghĩa khoa học:
Luận văn đã góp phần đánh giá được quá trình hình thành hỗn hợp và cháy
của nhiên liệu diesel sinh học B10, E10 và M10 trong động cơ cháy do nén thông
qua các mô hình mô phỏng được xây dựng trên phần mềm GT-Power. Từ các mô
hình này, có thể khảo sát ảnh hưởng của diesel sinh học ở các tỷ lệ khác nhau đến
đặc tính cháy, các thông số kinh tế - kỹ thuật và phát thải của động cơ được khảo
sát. Đây là cơ sở lý thuyết cho việc so sánh với thực nghiệm để từ đó có thể đề
xuất kiến nghị sử dụng nhiên liệu cồn - diesel cho động cơ ở tỷ lệ thích hợp cũng
như kiến nghị điều chỉnh các thông số vận hành một cách phù hợp khi sử dụng
các loại nhiên liệu alcohol với các tỷ lệ khác nhau.


4

* Ý nghĩa thực tiễn:
- Các mô hình xây dựng trong luận văn có thể tham khảo cho quá trình đào
tạo chuyên sâu liên quan đến vận hành động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel cho
động cơ cháy do nén;
- Chương trình khảo sát trạng thái nhiệt ống lót xi lanh có thể sử dụng làm
cơ sở cho các mục đích tương tự;
- Kết quả của luận văn là cơ sở lý thuyết cho việc so sánh với kết quả thực
nghiệm khi nghiên cứu về động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel.

4. Đối tượng nghiên cứu
Động cơ V12, diesel 4 kỳ, 12 xi lanh bố trí chữ V.
5. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết: xây dựng mô hình động cơ lưỡng nhiên liệu (bằng
phần mềm GT-Power) và mô hình tính toán trạng thái nhiệt ống lót xi lanh dựa
trên phương pháp phần tử hữu hạn (ANSYS), mô phỏng và phân tích kết quả;
6. Phạm vi nghiên cứu
Luận văn nghiên cứu về lý thuyết đến đặc tính cháy (tốc độ tỏa nhiệt, hệ số
truyền nhiệt…) khi sử dụng D100, B10, E10 và M10 trên phần mềm mô phỏng
một chiều nhiệt động GT-Power của hãng Gama Technology - Mỹ; trên cơ sở đặc
tính cháy thu được từ phần mềm GT-Power sẽ là thông số đầu vào cho mô hình
tính toán trạng thái nhiệt ống lót xi lanh bằng phần mềm ANSYS.
Chế độ tính toán: chế độ công suất định mức.
7. Nội dung nghiên cứu
Thuyết minh của luận văn được trình bày gồm các phần chính sau:
- Mở đầu
- Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
- Chương 2. Xây dựng mô hình mô phỏng bằng phần mềm GT-Power
- Chương 3. Kết quả tính toán mô phỏng động cơ V12 và trạng thái nhiệt
của ống lót xi lanh theo các loại nhiên liệu khảo sát
- Kết luận và kiến nghị


5

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Các nguồn năng lượng toàn cầu và tình trạng năng lượng hiện tại
Các nguồn năng lượng có thể được chia thành 3 nhóm: năng lượng hóa thạch,
năng lượng tái tạo và năng lượng nguyên tử. Năng lượng hóa thạch được hình
thành hàng triệu năm trước nên không được gọi là nguồn tái tạo. Ngày nay, do sự

phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp ô tô trên thế giới, nên nhu cầu về
dầu mỏ tăng lên nhanh chóng. Thế giới đang phải đối mặt với thực tế là nguồn
nhiên liệu dầu mỏ đang dần cạn kiệt. Theo dự báo của các nhà khoa học trên thế
giới cho biết nguồn cung dầu mỏ có thể đáp ứng nhu cầu của thế giới trong khoảng
40  50 năm nữa nếu không phát hiện thêm các nguồn dầu mỏ mới. Việt Nam là
một quốc gia đang phát triển, nhu cầu vận chuyển bằng ô tô ngày càng tăng dẫn
tới nhu cầu trong nước về nhiên liệu ngày càng tăng lên.
Theo kết quả điều tra của tập đoàn dầu mỏ BP của Anh quốc, trữ lượng dầu
mỏ trên trái đất đã khảo sát được khoảng 150 tỷ tấn. Năm 2003, lượng dầu mỏ
trên trái đất tiêu thụ khoảng 3,6 tỷ tấn. Nếu không được phát hiện thêm những
nguồn mới thì lượng dầu mỏ trên thế giới chỉ đủ dùng khoảng 40 năm nữa. Theo
các chuyên gia kinh tế trên thế giới, trong vòng 15 năm nữa, lượng dầu mỏ cung
cấp cho thị trường vẫn luôn thấp hơn nhu cầu, chính vì nhu cầu về xăng dầu và
khí đốt không thấy điểm dừng như vậy đã đẩy mạnh giá dầu trên thế giới. Mặt
khác, nguồn năng lượng trên thế giới chủ yếu lại tập trung ở các khu vực luôn có
tình hình bất ổn như Trung Đông (chiếm 2/3 trữ lượng dầu mỏ trên thế giới),
Trung Á, Trung Phi… Mỗi một đợt khủng hoảng giá dầu lại làm lay chuyển các
nền kinh tế thế giới, đặc biệt là các nước đang phát triển như Việt Nam [8].
Bên cạnh đó động cơ ô tô sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch từ dầu
mỏ phát thải ra môi trường các chất độc hại gây ra ô nhiễm môi trường, phá hủy
tầng ô zôn, ảnh hưởng đến sức khỏe con người.
Vì vậy việc tìm ra nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân thiện
với môi trường là rất quan trọng và thiết thực. Song hành cùng với việc sử dụng
nhiên liệu truyền thống trên động cơ ô tô, các nhà khoa học trong và ngoài nước


6

đã và đang nghiên cứu tìm ra và sử dụng các nguồn nhiên liệu thay thế thân thiện
với môi trường cho động cơ đốt trong.

Nhằm đối phó với nguy cơ cạn kiệt năng lượng hóa thạch và ô nhiễm môi
trường, các quốc gia trên thế giới đều đưa ra các chính sách đa dạng hóa nguồn
năng lượng hướng tới mục tiêu giảm dần sự phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch.
Cộng đồng châu Âu là khu vực dẫn đầu về vấn đề này. Hình 1.1 thể hiện rõ nét
nỗ lực của cộng đồng châu Âu trong mục tiêu đa dạng hóa năng lượng sử dụng
cho lĩnh vực giao thông vận tải.

Hình 1.1. Kịch bản đa dạng hóa nhiên liệu ở châu Âu [8]
Theo kịch bản đa dạng hóa này, các quốc gia châu Âu đưa ra mục tiêu dần
thay thế nhiên liệu hóa thạch (xăng và diesel) bằng các nhiên liệu có nguồn gốc
sinh học như SunFuel, SunGas, nhiên liệu tổng hợp (SynFuel), khí nén thiên nhiên
(CNG) và sử dụng ô tô điện, pin nhiên liệu. Với kịch bản này, đến năm 2030,
lượng nhiên liệu hóa thạch sử dụng cho lĩnh vực giao thông vận tải chỉ còn chiếm
chưa đến 50% tổng năng lượng sử dụng cho lĩnh vực này.
1.2. Yêu cầu cơ bản của nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong
Do đặc điểm đốt cháy hỗn hợp trong không gian kín (buồng cháy của động
cơ) nên nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong đòi hỏi phải đáp ứng được các yêu
cầu khắt khe sau đây [8]:


7

- Dễ dàng hình thành hỗn hợp không khí - nhiên liệu; dễ cháy và cháy không
tạo tro;
- Trọng lượng nhẹ và có mật độ năng lượng lớn;
- Dễ cung cấp cho phương tiện;
- Có thể hoạt động tức thì;
- An toàn trong tiêu thụ và tiện lợi trong vận chuyển.
Với các yêu cầu ở trên, nhiên liệu lỏng được cho là loại nhiên liệu phù hợp
nhất nhờ trọng lượng nhẹ, mật độ năng lượng lớn, dễ hình thành hỗn hợp với

không khí và hỗn hợp không khí - nhiên liệu lỏng khi cháy hầu như không tạo ra
tro. Nhiên liệu lỏng được sử dụng cho động cơ đốt trong bao gồm các hợp chất
hydrocacbon (H-C), chủ yếu được chế biến từ dầu thô như xăng và diesel.
Nhiên liệu khí do có mật độ năng lượng tính theo thể tích thấp nên ít được
sử dụng cho các động cơ đốt trong lắp trên phương tiện di động. Hiện nay, nhiên
liệu khí đang được dùng làm nhiên liệu thay thế ở dạng nén hoặc hóa lỏng. Các
loại khí được dùng cho động cơ đốt trong ở dạng nén hoặc hóa lỏng để tăng mật
độ năng lượng, bao gồm khí thiên nhiên (NG), khí mêtan, êtan, prôpan, khí dầu
mỏ hóa lỏng (LPG), khí tổng hợp (syngas), khí hyđrô...
Nhiên liệu rắn không được sử dụng trực tiếp cho động cơ đốt trong do quá
trình đốt cháy sinh ra nhiều tro, tuy nhiên nó có thể sử dụng gián tiếp thông qua
biện pháp khí hóa để tạo thành khí tổng hợp hoặc hóa lỏng thông qua quá trình
khí hóa kết hợp với quá trình tổng hợp Fisher Tropsch (tổng hợp FT) [8].
1.3. Nhiên liệu thay thế
1.3.1. Phân loại
Nhiên liệu thay thế có thể được phân thành 2 nhóm. Nhóm các nhiên liệu
có nguồn gốc hóa thạch gồm: Ethanol từ nguồn hóa thạch, khí thiên nhiên (NG Natural Gas), khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG - Liquefied Petroleum Gas), methanol,
hy đrô, khí hóa lỏng (GTL - Gas To Liquid), than đá hóa lỏng (CTL - Coal To
Liquid) và Dimethyl Ether (DME). Nhóm các loại nhiên liệu có nguồn gốc tái tạo
gồm: Khí sinh học (biogas), ethanol sinh học (bio-ethanol), methanol sinh học


8

(bio-methanol), hy đrô, dầu thực vật (vegetable oil), diesel sinh học (bio-diesel
hay FAME - Fatty Acid Methyl Ester), dầu thực vật/mỡ động vật qua xử lý hy đrô
(HVO - Hydrotreating Vegetable Oil), sinh khối hóa lỏng (BTL - Biomass To
Liquid) và DME.
Tóm lược về các loại nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong được thể
hiện trên bảng 1.1 [8].

Bảng 1.1. Phân loại nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong
Nguồn gốc Động cơ đánh lửa cưỡng bức

Động cơ cháy do nén

Ethanol

Than đá hóa lỏng (CTL)

Methanol

Khí hóa lỏng (GTL)

Hóa thạch Khí thiên nhiên (NG)

Dimethyl Ether (DME)

Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG)
Hyđrô

Tái tạo

Bio-ethanol/ bio-methanol

Diesel sinh học (bio-diesel/FAME)

Khí sinh học (biogas)

Dầu sinh học (bio-oil)

Hyđrô

Dầu thực vật qua xử lý hyđrô (HVO)
Sinh khối hóa lỏng (BTL)
Dimethyl Ether (DME)

Các loại nhiên liệu khí có nguồn gốc hóa thạch như khí thiên nhiên và khí
dầu mỏ hiện đang được sử dụng rất rộng rãi làm nhiên liệu thay thế cho xăng trên
động cơ dùng cho phương tiện giao thông. Tuy nhiên, do mật độ năng lượng thấp
nên để sử dụng được cho phương tiện vận tải cần thiết phải nén (ví dụ khí nén
thiên nhiên CNG) hoặc hóa lỏng (khí dầu mỏ hóa lỏng LPG và khí thiên nhiên
hóa lỏng LNG). Khí hyđrô hiện cũng đang được sử dụng thí điểm trên phương
tiện giao thông ở các dạng như hyđrô nén, hyđrô hóa lỏng hoặc pin nhiên liệu.
Ethanol và mêthanol sinh học hiện là hai loại nhiên liệu lỏng phù hợp nhất để thay
thế cho xăng.
Với tính chất tương đồng với nhiên liệu diesel và khả năng đáp ứng tốt các
yêu cầu đối với nhiên liệu cho động cơ cháy do nén, diesel sinh học (bio-diesel)


9

hiện đang là loại nhiên liệu được sử dụng nhiều nhất để thay thế cho nhiên liệu
diesel. Bio-diesel có thể sử dụng ở dạng nguyên chất (B100) hoặc trộn với nhiên
liệu diesel với một tỷ lệ nhất định. Ngoài ra, dầu thực vật và DME cũng được
nhiều nước sử dụng cho động cơ cháy do nén. Dầu thực vật có độ nhớt lớn nên
cần phải lưu ý cải thiện (cách đơn giản nhất là sấy nóng nhiên liệu để giảm độ
nhớt) đồng thời người sử dụng còn phải quan tâm đến vấn đề kết cặn trong buồng
cháy và trong hệ thống cung cấp nhiên liệu, vấn đề độ bền ô xy hóa của nhiên liệu
dầu thực vật... Nhiên liệu DME hiện chưa thực sự phổ biến, tuy nhiên triển vọng
sản xuất DME từ nguồn tái tạo là rất lớn. Độ nhớt nhỏ của DME cũng là một yếu

tố cần lưu tâm nhằm đảm bảo được tính năng bôi trơn cho động cơ.
Việc sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel và một loại nhiên liệu khí cũng đang
nhận được quan tâm của nhiều nước [9]. Các loại động cơ sử dụng lưỡng nhiên
liệu diesel/LPG, diesel/CNG hay các loại động cơ đa nhiên liệu hiện nay đã được
sản xuất, hoán cải và sử dụng khá nhiều.
1.3.2. Giới thiệu về nhiên liệu sinh học
Các loại nhiên liệu sinh học (nhiên liệu có nguồn gốc tái tạo) được chia
thành các thế hệ như: nhiên liệu sinh học thế hệ I, II và III. Các loại nhiên liệu
sinh học có thể trộn với nhiên liệu khoáng và đốt cháy trong động cơ đốt trong và
phân phối qua hệ thống hạ tầng sẵn có hoặc được sử dụng trên các phương tiện có
điều chỉnh thích nghi nhỏ đối với động cơ đốt trong.
Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ I là loại nhiên liệu đang được thương mại
phổ biến trên thị trường thế giới hiện nay như ethanol làm từ cây mía hay từ tinh
bột (ngô, sắn...), diesel sinh học (bio-diesel) và dầu thực vật nguyên chất (PPO pure plant oil). Nguồn nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất là
cây mía, tinh bột, các loại hạt chứa dầu (cải dầu, hướng dương, đậu nành, cọ...)
hoặc mỡ động vật. Các loại nhiên liệu này thường là thực phẩm hoặc phụ phẩm
của ngành thực phẩm.


10

Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ II là nhiên liệu được sản xuất từ xenlulo và
hemixenluloza (có trong sinh khối). Ethanol làm từ xenlulo và nhiên liệu FT
(Fischer - Tropsch) là những ví dụ điển hình về loại nhiên liệu này.
Một số tài liệu còn định nghĩa loại nhiên liệu sinh học thế hệ thứ III với
nguồn nguyên liệu sản xuất là thực phẩm không ăn được như hạt jatropha (cây
cọc rào hay cây dầu mè), hạt pongamia pinata (cây đậu dầu hay cây bánh dày)
hoặc từ vi tảo.
Nhiên liệu sinh học thế hệ I hiện đang chiếm sản lượng chính mặc dù vấn
đề an ninh lương thực đang được đặc biệt quan tâm; nhiên liệu sinh học thế hệ II

và III đang trong giai đoạn hoàn thiện công nghệ và bắt đầu được sản xuất ở quy
mô thử nghiệm để tiến tới quy mô thương mại.

 Cồn sinh học
Cồn sinh học có công thức hóa học là CnH2n+1OH được xem là nhiên liệu
phù hợp nhất để sử dụng cho động cơ đánh lửa cưỡng bức nhờ có trị số octane
cao và tính chất vật lý, hóa học tương tự như xăng. Hiện nay, cồn tồn tại ở bốn
dạng là methanol (CH3OH), ethanol (C2H5OH), propanol (C3H7OH) và butanol
(C4H9OH), tất cả đều là chất lỏng không màu, tuy nhiên methanol, propanol và
butanol hiện ít được sử dụng cho phương tiện vận tải do giá thành sản xuất cao.
Ethanol được sử dụng rộng rãi hơn cả cho các phương tiện vận tải nhờ nguồn
nguyên liệu dễ phát triển, giá thành sản xuất thấp và khả năng tương thích tốt với
động cơ.
Ethanol chủ yếu được sản xuất từ quá trình lên men các sản phẩm có đường
như mía, củ cải đường..., các sản phẩm ngũ cố như ngô, khoai, sắn... (thế hệ I); từ
phế phẩm nông, lâm nghiệp (thế hệ II) và từ vi tảo (thế hệ III). Đối với thế hệ II,
phế phẩm nông, lâm nghiệp cần phải trải qua quá trình tiền chế, lên men thủy phân
để loại bỏ chất gỗ (lignin) trong nguyên liệu, sản phẩm tạo thành là glucose. Sau
đó quy trình sản xuất tạo thành ethanol tương tự với quá trình sản xuất ethanol thế
hệ I. Đối với ethanol thế hệ III, vi tảo sau khi thu hoạch được nghiền trước khi


11

thực hiện quá trình phân rã tế bào, sản phẩm là tinh bột và protein, thông qua quá
trình lên men thủy phân tạo thành ethanol.
Methanol hiện tại chủ yếu sản xuất từ khí thiên nhiên thông qua quá trình
khí hóa và tổng hợp, trong thời gian gần đây, methanol cũng đã bắt đầu được sử
sản xuất từ sinh khối nhằm giảm gánh nặng đối với nguồn nhiên liệu hóa thạch.

 Dầu thực vật và bio-diesel
Dầu thực vật là dầu thu trực tiếp từ quá trình ép các hạt có dầu như hạt cải
dầu, hướng dương, đậu nành, cọ, dừa, jatropha... có thể được sử dụng trực tiếp
cho động cơ cháy do nén hoặc dùng trong lĩnh vực chế biến thực phẩm.
Bio-diesel thế hệ I là sản phẩm của quá trình este hóa dầu thực vật hoặc mỡ
động vật (ví dụ như dầu cọ, dầu hạt cải dầu, dầu hạt hướng dương... hay mỡ cá
basa).
Bio-diesel thế hệ II được sản xuất từ sinh khối theo quy trình khí hóa
(gasification) và sau đó là tổng hợp theo quá trình Fischer - Tropsch. BTL
(biomass to liquid, còn được gọi là diesel tổng hợp) là một ví dụ điển hình của
bio-diesel thế hệ II. Bio-diesel làm từ dầu ăn đã qua sử dụng, từ dầu của các hạt
có dầu không ăn được như hạt jatropha và từ vi tảo được gọi là diesel sinh học thế
hệ III.

 Dầu nhiệt phân và dầu thực vật qua xử lý hy đrô (HVO)
Dầu thực vật qua xử lý hy đrô (HVO) có thể nói là một trong những loại
nhiên liệu nguồn gốc sinh học tiềm năng hiện nay. HVO là hỗn hợp của các
hydrocacbon dạng parafin, không chứa lưu huỳnh và các chất thơm. Thuộc tính
của HVO có thể điều chỉnh để đáp ứng các yêu cầu của từng vùng bằng cách thay
đổi trong quy trình sản xuất như bổ sung quy trình xử lý xúc tác. HVO có trị số
xetan rất cao, trong khi các thuộc tính khác thì tương tự như đối với FT - diesel
tổng hợp, GTL và BTL bằng quy trình Fischer - Tropsch. Ngoài ra, HVO là nhiên
liệu hydrocacbon nên đáp ứng được tất cả các yêu cầu đối với nhiên liệu truyền
thống (EN 590, ASTM D 975) ngoại trừ chỉ tiêu giới hạn dưới của tỷ trọng.


12

1.3.3. Các loại nhiên liệu khác
Ngoài các loại nhiên liệu sinh học được mô tả ở trên, các loại nhiên liệu

khí, khí tổng hợp và nhiên liệu lỏng tổng hợp cũng đã và đang được sử dụng hoặc
đang trong quá trình nghiên cứu sử dụng cho động cơ đốt trong [8].

 Khí thiên nhiên và khí sinh học biogas
Khí thiên nhiên thường được sử dụng làm chất đốt để sưởi ấm, sản xuất
điện năng và phục vụ cho công nghiệp. Thành phần chính của khí thiên nhiên là
mêtan, CH4 (80 ÷ 90%), còn lại là các thành phần khác như C2H6, C3H8, C4H10...
Khí thiên nhiên có tính chất phù hợp để sử dụng trên động cơ, đặc biệt là động cơ
đánh lửa cưỡng bức. Nhằm nâng cao mật độ năng lượng, khí thiên nhiên thường
được nén (CNG, với áp suất nén 200 ÷ 250 bar trong điều kiện nhiệt độ môi
trường) hoặc hóa lỏng (LNG, ở nhiệt độ -1270C trong điều kiện áp suất môi trường
và ở nhiệt độ -1610C khi áp suất là 6 ÷ 8 bar).
Khí sinh học biogas là hỗn hợp khí mêtan và một số khí khác phát sinh từ
sự phân hủy các vật chất hữu cơ. Thành phần chính của biogas là CH4 (50 ÷ 60%)
và CO2 ( 30%) còn lại là các chất khác như hơi nước N2, O2, H2S, CO... được
thủy phân trong môi trường yếm khí, xúc tác nhờ nhiệt độ từ 20 ÷ 400C. Biogas
có thể sử dụng cho động cơ đốt trong nếu được làm sạch các thành phần có ảnh
hưởng lớn dến động cơ như H2S và hơi nước, cũng như nâng cao hàm lượng mêtan
trong hỗn hợp nhằm nâng cao nhiệt trị của nhiên liệu. Việc sử dụng khí biogas
cho phương tiện vận tải gặp phải không ít khó khăn do hàm lượng của thành phần
mêtan khá thấp và thấp hơn nhiều so với khí thiên nhiên.

 Khí dầu mỏ hóa lỏng
LPG là sản phẩm của quá trình hóa lỏng khí đồng hành thu được trong quá
trình chưng cất dầu mỏ bao gồm hai thành phần chính là propan, C3H8 và butan,
C4H10. LPG có thể sử dụng trực tiếp thay thế cho xăng trên động cơ đánh lửa
cưỡng bức hoặc cũng có thể sử dụng trên động cơ cháy do nén.
Giá trị áp suất hóa lỏng LPG phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp: khoảng
2,2 bar đối với C4H10 tại 200C, và khoảng 22 bar đối với C3H8 tại 550C. Thông

13

thường LPG được chứa trong bình ở áp suất khoảng 8 bar với tỷ lệ propan/butan
khoảng 60% /40%.

 Hyđrô và khí giàu hyđrô
Hyđrô có thể được sản xuất từ nguồn hyđrô các bon hóa thạch, từ nước và
từ sinh khối bằng các phương pháp như reforming hơi nước, ô xy hóa không hoàn
toàn, nhiệt phân khí thiên nhiên, thu hồi từ quá trình reforming và điện phân nước.
Có ba phương pháp đã được áp dụng để tồn trữ hyđrô là: Tích trữ ở thể lỏng
ở -2350C trong bình đông lạnh; dưới dạng hyđrua kim loại như hyđrua sắt - titan
FeTiH2 hoặc dạng khí nén ở áp suất từ 20 đến 70 MPa. Hyđrua kim loại giải phóng
hyđrô khi được nung nóng bằng nguồn nhiệt như hệ thống xả của ô tô. Phương
pháp tồn trữ hyđrô phổ biến nhất là ở thể lỏng và hyđrua kim loại, cả hai phương
pháp này đều có khả năng lưu trữ tương đương về mặt thể tích và đều cần thể tích
gấp 10 lần so với thùng chứa 5 galông xăng.
Hyđrô hiện được cho là nguồn tiềm năng làm pin nhiên liệu để sản sinh
điện năng. Mặc dù còn có những vấn đề khó khăn về quá trình tồn trữ và giá thành,
nhưng với nhiệt trị lớn (theo khối lượng) và nguồn nguyên liệu được xem là vô
hạn nên hiện tại hyđrô được xem là "nhiên liệu của tương lai".
Khí giàu hyđrô là hỗn hợp của khí hyđrô và một số khí khác như ôxy (trong
khí HHO), CO (trong khí tổng hợp) cùng một số tạp chất khác. Khí giàu hyđrô
thường được sử dụng trên động cơ như là một phụ gia nhiên liệu bằng cách bổ
sung khí vào đường nạp nhằm cải thiện quá trình cháy và giảm phát thải ô nhiễm.

 Dimethyl Ether - DME
Dimethyl Ether (DME), công thức hóa học là CH3-O-CH3, là loại nhiên liệu
có thề làm khí đốt và có khả năng thay thế cho diesel trên động cơ cháy do nén
nhờ có trị số xetan cao. DME có thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau như

nhiên liệu gốc hóa thạch, than đá, khí thiên nhiên và sinh khối.

 Than hóa lỏng và khí tổng hợp hóa lỏng
Than đá sau quá trình khí hóa, tạ ra syngas và thực hiện quá trình Fischer Tropch (FT) để tạo thành FT-diesel (CTL). Trong khi đó, GTL được điều chế từ


14

khí mê tan, CH4 (có thể từ nguồn gốc tái tạo như biogas hoặc từ nguồn gốc hóa
thạch như khí thiên nhiên). Các sản phẩm nhiên liệu được sản xuất từ khí mê tan
gồm methanol, DME hoặc FT-diesel.
1.4. Viễn cảnh sử dụng nhiên liệu cho động cơ đốt trong
Hình 1.2 trình bày các loại nhiên liệu có thể sử dụng để thay thế hoặc sử
dụng đồng thời với nhiên liệu truyền thống dưới dạng trộn lẫn với nhau (đối với
nhiên liệu lỏng) hoặc ở dạng lưỡng nhiên liệu/đa nhiên liệu (khi nhiên liệu thay
thế ở thể khí).

Hình 1.2. Các loại nhiên liệu thay thế dùng cho động cơ đốt trong [8]
Các loại nhiên liệu thay thế ở dạng lỏng hiện đang được sử dụng rộng rãi
bao gồm: methanol, ethanol, bio-diesel, dầu thực vật (vegetable oil),
ETBE/MTBE, diesel pha trộn với ethanol (E-diesel). Các loại nhiên liệu hứa hẹn
sẽ được sản xuất và sử dụng rộng rãi trong tương lai gồm Butanol, HVO,
GTL/CTL và BTL.
Các loại nhiên liệu thay thế ở dạng lỏng hiện đang sử dụng rộng rãi gồm
CNG, LPG và Biogas, trong khi DME và đặc biệt là khí hy đrô hứa hẹn sẽ có
tương lai rất lớn trong việc thay thế cho các loại nhiên liệu truyền thống.
Từ kinh nghiệm nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu thay thế, có thể thấy rõ
ràng rằng các động cơ được thiết kế theo các yêu cầu hướng tới tương thích với

15

các loại nhiên liệu nhất định (tạm gọi là các loại nhiên liệu quy định). Khi nhiên
liệu sử dụng trên thực tế đáp ứng được các yêu cầu về chủng loại cũng như tính
chất của nhiên liệu quy định thì động cơ sẽ hoạt động bình thường. Nhưng khi
tính chất của nhiên liệu thay thế không đáp ứng được các yêu cầu của nhiên liệu
quy định thì động cơ có thể vận hành ngoài vùng thiết kế và đương nhiên các
thông số tính năng như công suất, tiêu thụ nhiên liệu, hiệu suất, các thành phần
khí thải... sẽ bị ảnh hưởng.
Có hai giải pháp đối với vấn đề này. Thứ nhất là cải tiến động cơ, tức là
điều chỉnh các yêu cầu thiết kế liên quan đến việc tương thích với nhiên liệu quy
định nhằm đáp ứng được tính chất của nhiên liệu thay thế hoặc tính chất của nhiên
liệu thay thế phải được cải thiện để đáp ứng được yêu cầu của nhiên liệu quy định.
Điều quan trọng nhất của vấn đề này đó là thiết lập tiêu chuẩn để đáp ứng được
yêu cầu từ cả hai phía. Việc lựa chọn giải pháp nào và thời gian, chi phí đối với
giải pháp đó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kỹ thuật, địa điểm, tiềm lực kinh tế,
xã hội và cả chính trị.
1.5. Tổng quan về truyền nhiệt trong động cơ đốt trong
1.5.1. Truyền nhiệt trong động cơ
Nhiệt độ của môi chất công tác trong xi lanh biến thiên với biên độ lớn.
Nhiệt độ cuối quá trình nạp khoảng 310 420 [K] nhưng khí cháy đạt tới trị số
1750  2800 [K] [2]. Nhiệt độ cực đại cho phép của vật liệu đối với các chi tiết
trong không gian buồng cháy bị giới hạn và thấp hơn giá trị cực đại của khí cháy.
Chính vì vậy cần phải làm mát cho nắp xi lanh, xi lanh và pít tông. Trong quá
trình làm việc, dòng nhiệt đối với các chi tiết rất không đồng đều, trong quá trình
cháy, dòng nhiệt truyền cho thành vách buồng cháy có thể lên tới 10 MW/m2
nhưng ở những quá trình khác của chu trình công tác, dòng nhiệt là rất nhỏ, thậm
chí bằng không.
Dòng nhiệt này phụ thuộc nhiều vào vị trí, có giá trị lớn nhất tại những vùng
có khí cháy nhiệt độ cao và chuyển động với tốc độ lớn. Ở những vùng dòng nhiệt

cao, ứng suất nhiệt phải được giữ thấp hơn mức có thể gây nên phá hỏng vì mỏi


16

(thấp hơn khoảng 400 0C đối với gang và 300 0C đối với hợp kim nhôm). Bề mặt
gương xi lanh phải được giữ thấp hơn 180 0C để ngăn chặn phá hỏng màng dầu
bôi trơn. Bugi đánh lửa và xu páp phải được làm mát để tránh hiện tượng đánh
lửa sớm và tiếng gõ động cơ. Chính vì vậy, giải quyết vấn đề trao đổi nhiệt là một
nhiệm vụ quan trọng trong thiết kế động cơ.
Trao đổi nhiệt ảnh hưởng tới hiệu suất, công suất động cơ và sự phát thải.
Đối với một lượng nhiên liệu đưa vào xi lanh, trao đổi nhiệt đối với thành vách
buồng cháy lớn sẽ làm giảm nhiệt độ và áp suất trung bình của khí cháy và sẽ làm
giảm công chỉ thị của chu trình. Do vậy công suất và hiệu suất chỉ thị bị ảnh hưởng
bởi lượng trao đổi nhiệt của động cơ.
1.5.2. Các mô hình truyền nhiệt
Có ba dạng trao đổi nhiệt cơ bản, đó là:
- Trao đổi nhiệt dẫn nhiệt.
- Trao đổi nhiệt đối lưu (đối lưu tự nhiên, đối lưu cưỡng bức, đối lưu trong
môi trường một pha, đối lưu trong môi trường biến đổi pha).
- Trao đổi nhiệt bức xạ.
1.5.2.1. Trao đổi nhiệt dẫn nhiệt
Dẫn nhiệt được thực hiện bằng chuyển động nhiệt của những phần tử vi
mô. Trong kim loại dẫn nhiệt được thực hiện bằng chuyển động của các điện tử
tự do, trong chất lỏng và chất rắn dẫn nhiệt được thực hiện bằng chuyển động
nhiệt của nguyên tử, phân tử của những phần vật chất cạnh nhau, trong chất khí
dẫn nhiệt được thực hiện bằng truyền năng lượng khi các phần tử khí va chạm
nhau.
Fourier đã giả thiết dòng nhiệt như dòng chất chảy không có trọng lượng
và hình thành định luật Fourier [2]:

q = - VL.gradT = - VL.
Q = q.F = - VL.F.

T
n

T
[W/m2]
n

[W]

Dòng nhiệt tỉ lệ với gradient nhiệt độ và diện tích bề mặt đẳng nhiệt.


17

trong đó:
VL - là hệ số dẫn nhiệt;
F - là diện tích bề mặt đẳng nhiệt;
T
- là gradient nhiệt độ.
n

Dấu (-) biểu thị hướng dòng nhiệt từ nhiệt độ cao đến nhiệt độ thấp ngược
với hướng gradient nhiệt độ.
 Trường nhiệt độ
Trường nhiệt độ là tổng hợp các giá trị của nhiệt độ tại các điểm khác nhau
của không gian khảo sát. Nhiệt độ của các điểm khác nhau có giá trị khác nhau và
tại các thời điểm khác nhau nhiệt độ có giá trị khác nhau, như vậy trường nhiệt độ

phụ thuộc theo thời gian và không gian.
Trường nhiệt độ không ổn định: T= T(x,y,z,);
Trường nhiệt độ ổn định: T = T(x,y,z).
 Gradient nhiệt độ
Gradient nhiệt độ là sự thay đổi nhiệt độ trên một đơn vị chiều dài theo
phương pháp tuyến của bề mặt đẳng nhiệt, nó là đại lượng véc tơ, chiều theo chiều
tăng nhiệt độ.
gradT(x,y,z) =

T
T
T
T
n0 =
i+
k
j+
n
z
x
y

trong đó:
n0 - véc tơ đơn vị trên phương pháp tuyến;

i , j , k - véc tơ đơn vị trên các trục của hệ trục tọa độ.

 Mật độ dòng nhiệt và định luật Fourier
Lượng nhiệt đi qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian gọi là
mật độ dòng nhiệt và theo định luật Fourier thì mật độ dòng nhiệt tỉ lệ thuận với

gradient nhiệt độ.
 Hệ số dẫn nhiệt