Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng hồi lưu khí thải (egr) đến độ phát thải ô nhiễm động cơ vikyno rv 125 2 bằng mô phỏng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN MINH TRÍ

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG HỒI LƯU KHÍ
THẢI (EGR) ĐẾN ĐỘ PHÁT THẢI Ô NHIỄM ĐỘNG CƠ
VIKYNO RV125-2 BẰNG MƠ PHỎNG

Chun ngành: Kỹ Thuật Ơtơ - Máy Kéo
Mã số: 605235

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2014


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : .................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 : .......................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 : .......................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG Tp.HCM
ngày …….. tháng ……. năm…….
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ )
1. ……………………………………
2. ……………………………………

3. ……………………………………
4. ……………………………………
5. ……………………………………
Xác nhận của chủ tịch hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau
khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
TRƯỞNG KHOA………………


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

----------------

---oOo---

Tp. HCM, ngày…… tháng…… năm 2014

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN MINH TRÍ

Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 20/10/1986

Nơi sinh: Vĩnh Long

Chuyên ngành: Kỹ thuật ô tô – máy kéo

MSHV: 11134614

1- TÊN ĐỀ TÀI: “Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng hồi lưu khí thải (EGR) đến độ
phát thải ô nhiễm động cơ VIKYNO RV125-2 bằng mô phỏng”.
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
2.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu tác động của hồi lưu khí thải (EGR) đến cơng
suất và khí thải của động cơ Diesel phun trực tiếp tại Việt Nam và trên Thế Giới.
2.2 Nghiên cứu ứng dụng phần mềm mô phỏng KIVA3V vào động cơ cụ thể (động cơ
VIKYNO RV125-2).
2.3 Nghiên cứu tác động của tuần hồn khí thải (EGR) đến cơng suất và khí thải của
động cơ Diesel phun trực tiếp.
2.4 Tổng kết đánh giá.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 24/06/2013
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 24/06/2014
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm, học vị ):
TS. NGUYỄN LÊ DUY KHẢI
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thơng qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MƠN

(Họ tên và chữ ký)

QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

KHOA QL CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


i

LỜI CÁM ƠN
Để luận văn hoàn thành đúng tiến độ và đạt kết quả tốt, ngồi sự cố gắng của
chính bản thân mình, em xin chân thành cám ơn tất cả Q Thầy, Cơ, các bạn sinh viên
trong Bộ mơn đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ em thực hiện luận văn này.
Đặc biệt, em xin cảm ơn thầy TS. Nguyễn Lê Duy Khải đã cung cấp những tài
liệu, phần mềm quan trọng và tận tình hướng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện
luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn Q thầy đang cơng tác tại phịng Thí nghiệm Động
cơ đốt trong - Trường Đại học Bách khoa Tp.Hồ Chí Minh - đã nhiệt tình giúp đỡ em
trong công việc thu thập số liệu thực nghiệm của Động cơ thí nghiệm một xy-lanh
VIKYNO RV125-2.
Cuối cùng, em chân thành cảm ơn Gia đình, bạn bè gần xa đã tạo điều kiện, giúp
đỡ em hoàn thành tốt luận văn này.
Mặc dù đã hết sức cố gắng để hoàn thành luận văn một cách tốt nhất có thể,
nhưng do kiến thức và kinh nghiệm của em cịn hạn chế nên khơng thể tránh khỏi
những sai sót. Em rất mong sẽ nhận được sự đóng góp, chia sẻ ý kiến của Quý Thầy,
Cơ, cùng các bạn để đề tài có thể hồn thiện và phát triển ở mức cao hơn.
Em xin chân thành cám ơn !
Học viên thực hiện,

Nguyễn Minh Trí


ii

TÓM TẮT
Luận văn nghiên cứu ảnh hưởng của một số thơng số hồi lưu khí thải (EGR)
trên động cơ Diesel phun trực tiếp đến cơng suất và ơ nhiễm khí thải bằng phương
pháp mô phỏng. Cụ thể, thông số hồi lưu khí thải (EGR) được thay đổi để đánh giá sự
tác động đến cơng suất và phát thải bồ hóng cũng như NOx trong khí thải động cơ
Diesel phun trực tiếp.
Mỗi công nghệ đều chứa đựng những ưu điểm và nhược điểm hay chúng có
thể tồn tại song song cùng nhau. Nghiên cứu trong luận văn đã chỉ ra rằng, khi tăng
lượng hồi lưu khí thải (EGR) sẽ làm cho NOx giảm và lượng bồ hóng tăng lên. Bên
cạnh đó thì cũng kéo theo giảm cơng suất động cơ và tăng suất tiêu hao nhiên liệu.

ABSTRACT
The thesis introduces the research into influence of the exhaust gas
recirculation (EGR) parameters on direct injection Diesel (DI Diesel engine) engine
performance and emission, using simulation. The exhaust gas recirculation (EGR)
was also changed to appreciate the effect on DI Diesel engine performance and emit
particulates and oxides of nitrogen.
Each technology has its own merits and demerits or exist interaction. The
results show that, the total of oxides of nitrogen decreased and particulates increased
when increased exhaust gas recirculation (EGR) parameter. Beside that drag on the
power decreased and fuel increased.


iii

LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ
Tôi xin cam đoan, luận văn: “Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng hồi lưu khí thải
(EGR) đến độ phát thải ô nhiễm động cơ VIKYNO RV125-2 bằng mô phỏng”
dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Lê Duy Khải, tất cả kết quả trong luận văn này đều

do tôi thực hiện và chưa được công bố bởi các tác giả khác.
Học viên thực hiện,

Nguyễn Minh Trí


iv

MỤC LỤC
LỜI CÁM ƠN ............................................................................................................................................i
TÓM TẮT ................................................................................................................................................. ii
LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ .......................................................................................................... iii
MỤC LỤC................................................................................................................................................ iv
DANH MỤC HÌNH ẢNH ...................................................................................................................... vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................................................... x
DANH MỤC PHỤ LỤC .......................................................................................................................... xi
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT............................................................................................................... xii
CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU .............................................................................................................................1
1.1.

Lý do chọn đề tài ...........................................................................................................................1

1.2.

Mục tiêu nghiên cứu và đối tượng nghiên cứu..............................................................................2

1.2.1.

Mục tiêu nghiên cứu..................................................................................................................2

1.2.2.

Đối tượng nghiên cứu................................................................................................................2

1.3.

Giới hạn đề tài ...............................................................................................................................4

1.4.

Nội dung và phương pháp nghiên cứu ..........................................................................................4

1.5.

Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới ........................................................5

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .........................................................................................................6
2.1.

Tổng quan về động cơ Diesel VIKYNO RV125-2, vấn đề và thách thức ....................................6

2.1.1.

Phân tích đặc điểm động cơ Diesel VIKYNO RV125-2 ...........................................................6

2.1.2.

Vấn đề và thách thức đặt ra đối với động cơ VIKYNO RV125-2 ............................................8

2.2.

Khái quát về các chất ô nhiễm trong khí thải động cơ Diesel phun trực tiếp................................9

2.2.1.

Bồ hóng (muội than) .............................................................................................................. 10

2.2.2.

Oxit Nitơ NOx........................................................................................................................ 13


v

2.3.

Các biện pháp giảm ô nhiễm trên động cơ Diesel ...................................................................... 14

2.4.

Tổng quan về hồi lưu khí thải EGR [15] .................................................................................... 15

2.4.1.

Khái quát về hồi lưu khí thải .................................................................................................. 15

2.4.2.

Nguyên tắc vận hành hồi lưu khí thải .................................................................................... 17

2.4.3.

Các hình thể của EGR ............................................................................................................ 27

2.4.4.

Ảnh hưởng của EGR lên đốt cháy và phát thải ...................................................................... 39

CHƯƠNG III: CÁC MƠ HÌNH TỐN SỬ DỤNG TRONG MƠ PHỎNG ......................................... 50
3.1.

Phương trình nhiệt động học thứ nhất ........................................................................................ 50

3.2.

Truyền nhiệt trong xy-lanh......................................................................................................... 52

3.3.

Tính tốn truyền nhiệt trong động cơ diesel............................................................................... 55

3.4.

Mơ hình hình thành NOx ........................................................................................................... 57

3.5.

Mơ hình hình thành bồ hóng ...................................................................................................... 59

CHƯƠNG IV: TẠO LƯỚI VÀ THIẾT LẬP CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG CƠ NGHIÊN CỨU ............. 63

4.1.

Cấu trúc chương trình mơ phỏng KIVA3V-ERC....................................................................... 63

4.2.

Xây dựng mơ hình động cơ VIKYNO RV125-2 ....................................................................... 65

4.3. Sơ đồ tiến hành thí nghiệm động cơ RV125-2 và hiệu chỉnh đồng nhất thông số thực nghiệm và
mô phỏng................................................................................................................................................ 67
4.3.1.

Giới thiệu sơ đồ và thiết bị ..................................................................................................... 67

4.3.2.

Điều kiện và bước thực hiện thí nghiệm ................................................................................ 68

4.3.3.

Các hiệu chỉnh để đồng nhất thông số mô phỏng và thực nghiệm ......................................... 68

CHƯƠNG V: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ẢNH HƯỞNG CỦA HỒI LƯU KHÍ THẢI ĐẾN PHÁT
THẢI Ơ NHIỄM .................................................................................................................................... 73
5.1.

Điều kiện mô phỏng ................................................................................................................... 73

5.2.

Thông số thay đổi ....................................................................................................................... 75

5.2.1.

Thay đổi %EGR ..................................................................................................................... 75


vi

5.2.2.
5.3.

Tính tốn thành phần khí nạp ................................................................................................. 75
Kết quả và bình luận .................................................................................................................. 78

5.3.1.

Ảnh hưởng của EGR đến áp suất và nhiệt độ trong xy-lanh .................................................. 78

5.3.2.

Ảnh hưởng của EGR đến tốc độ tỏa nhiệt.............................................................................. 83

5.3.3.

Ảnh hưởng của EGR đến sự hình thành bồ hóng và NOx ..................................................... 84

5.3.4.

Ảnh hưởng của EGR đến công suất và suất tiêu hao nhiên liệu ............................................ 96

CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN ................................................................................................................... 99
6.1.

Kết luận ...................................................................................................................................... 99

6.2.

Đề xuất hướng phát triển ............................................................................................................ 99

Tài liệu tham khảo................................................................................................................................ 101
PHỤ LỤC............................................................................................................................................... xiv
PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ..................................................................................................... xlviii


vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1-1: Động cơ Diesel 1 xy-lanh phun trực tiếp RV125-2 ..................................................................2
Hình 2-1: Mặt cắt ngang động cơ RV125-2 ..............................................................................................7
Hình 2-2: Mặt cắt dọc động cơ RV125-2 ..................................................................................................8
Hình 2-3: Cấu trúc chuỗi bồ hóng .......................................................................................................... 11
Hình 2-4: Dạng những hạt sơ cấp .......................................................................................................... 11
Hình 2-5: Mơ hình cấu trúc dạng hạt ..................................................................................................... 12
Hình 2-6: Cấu trúc tinh thể graphit ........................................................................................................ 12
Hình 2-7: Sơ đồ đại diện của hệ thống EGR .......................................................................................... 18
Hình 2-8: Ảnh hưởng của chất pha lỗng khác nhau trên việc giảm NOx ............................................ 19
Hình 2-9: Khái quát về ảnh hưởng của EGR ......................................................................................... 22
Hình 2-10: Tác dụng của EGR với pha loãng CO2 tinh khiết ................................................................ 23
Hình 2-11: Tác dụng của EGR với pha lỗng hơi nước tinh khiết......................................................... 23

Hình 2-12: tác dụng của EGR với pha loãng của hỗn hợp CO2 và hơi nước ......................................... 24
Hình 2-13: Diesel ngọn lửa khuếch tán có và khơng có EGR ............................................................... 25
Hình 2-14: Mối tương quan giữa NOx và nhiệt độ ngọn lửa ................................................................. 26
Hình 2-15: Sơ đồ cấu hình HPL EGR .................................................................................................... 28
Hình 2-16: Mặt cắt turbo tăng áp với đường ống HPL EGR ................................................................. 29
Hình 2-17: Cấu hình HPL EGR với ống Venturi ................................................................................... 30
Hình 2-18: Hệ thống EGR áp suất thấp cho động cơ Diesel hạng nặng ................................................ 31
Hình 2-19: Sơ đồ cấu hình của EGR hybrid .......................................................................................... 33
Hình 2-20: Hệ thống EGR tác dụng nhanh ............................................................................................ 35
Hình 2-21. Bơm EGR (LPL hoặc HPL) để vượt qua được áp suất ống góp nạp ................................... 36
Hình 2-22. Hệ thống EGR Pulse của Hino so với hệ thống EGR thông thường ................................... 37


viii

Hình 2-23. Ảnh hưởng của EGR trên Oxi sạch và CO .......................................................................... 39
Hình 2-24: Ảnh hưởng của tỉ lệ EGR trên nhiệt độ đường ống nạp ...................................................... 40
Hình 2-25: Ảnh hưởng của tỉ lệ EGR trên việc giảm NOx tại các tải động cơ khác nhau..................... 41
Hình 2-26: Ảnh hưởng của EGR so với thời gian phun chận trên BSFC .............................................. 42
Hình 2-27: Ảnh hưởng của EGR lên phát thải PM ................................................................................ 43
Hình 2-28: Ảnh hưởng của EGR làm mát và không làm mát trên phát thải NOx và PM ...................... 43
Hình 2-29: Ảnh hưởng của thời gian phun trễ, HPL EGR làm mát và LPL EGR đối với cân bằng
NOx/PM ................................................................................................................................................. 44
Hình 2-30: Ảnh hưởng của tỉ lệ EGR trên cân bằng phát thải NOx/PM và NOx/HC ........................... 45
Hình 2-31: Ảnh hưởng của EGR trên số và kích thước hạt ................................................................... 46
Hình 2-32: Sơ đồ mạch điều khiển bằng điện bơm tăng áp cho việc kiểm soát tỉ lệ A/F ...................... 47
Hình 2-33: Hoạt động khơng tạo khói thơng qua điều khiển A/F .......................................................... 49
Hình 3-1: Cân bằng năng lượng trong xy-lanh ...................................................................................... 50
Hình 3-2: Mơ hình hình thành bồ hóng.................................................................................................. 60
Hình 4-1: Bản vẽ piston động cơ VIKYNO RV125-2 ........................................................................... 65

Hình 4-2: Phân vùng và lập tọa độ điểm vị trí biên của piston .............................................................. 66
Hình 4-3: Mơ hình lưới buồng đốt piston .............................................................................................. 66
Hình 4-4: Sơ đồ thí nghiệm .................................................................................................................... 67
Hình 4-5: Hình ảnh thực tế khi tiến hành thí nghiệm............................................................................. 67
Hình 4-6: Đồng nhất áp suất xy-lanh khi khơng phun nhiên liệu .......................................................... 70
Hình 4-7: Đồng nhất áp suất xy-lanh ở chế độ 80% tải và tốc độ 2400 vịng/phút ............................... 72
Hình 5-1: Mối quan hệ giữa áp suất trung bình và góc quay trục khuỷu với tỉ lệ % EGR khác nhau ... 79
Hình 5-2: Mối quan hệ giữa nhiệt độ trung bình và góc quay trục khuỷu với tỉ lệ % EGR khác nhau . 80
Hình 5-3: Mối quan hệ giữa tốc độ tỏa nhiệt và góc quay trục khuỷu với tỉ lệ % EGR khác nhau ....... 83
Hình 5-4: Mối quan hệ giữa bồ hóng sinh ra và góc quay trục khuỷu với tỉ lệ % EGR khác nhau ....... 85


ix

Hình 5-5: So sánh lượng bồ hóng hình thành và bồ hóng bị Oxi hóa khi tăng từ 0%EGR đến 10%EGR
................................................................................................................................................................ 86
Hình 5-6: So sánh lượng bồ hóng phát thải ở 1300 sau điểm chết trên với 0% EGR và 10% EGR....... 88
Hình 5-7: So sánh lượng bồ hóng hình thành và bồ hóng bị Oxi hóa khi tăng từ 10%EGR đến 40%EGR
................................................................................................................................................................ 89
Hình 5-8: So sánh lượng bồ hóng phát thải ở 1300 sau điểm chết trên với 10% EGR và 40% EGR..... 91
Hình 5-9: Mối quan hệ giữa NOx sinh ra và góc quay trục khuỷu với tỉ lệ %EGR khác nhau ............. 92
Hình 5-10: So sánh nhiệt độ và NOx hình thành ở 150sau điểm chết trên ............................................. 93
Hình 5-11: Mối quan hệ giữa bồ hóng và NOx sinh ra với tỉ lệ % EGR khác nhau .............................. 94
Hình 5-12: Mối quan hệ giữa cơng suất và suất tiêu hao nhiên liệu với tỉ lệ % EGR khác nhau .......... 96


x

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1-1: Thông số kỹ thuật của động cơ TLTK: Theo công bố của SVEAM .....................................3

Bảng 2-1. Ứng dụng thương mại của EGR trên động cơ Diesel ............................................................ 16
Bảng 2-2: Ước tính tỉ lệ hình thành NO ................................................................................................. 26
Bảng 3-1: Các tốc độ phản ứng sử dụng trong mơ hình bồ hóng “8 bước” của Foster.......................... 61
Bảng 4-1: Cấu trúc hoạt động của chương trình KIVA3V-ERC ........................................................... 64
Bảng 5-1: Thông số mô phỏng động cơ VIKYNO RV125-2 ................................................................ 73
Bảng 5-2: Bảng kết quả khối lượng từ KIVA ........................................................................................ 76
Bảng 5-3: Bảng kết quả khối lượng các khí mới ứng với % EGR ......................................................... 78
Bảng 5-4: Áp suất trung bình với tỉ lệ % EGR khác nhau ..................................................................... 79
Bảng 5-5: Nhiệt độ trung bình với tỉ lệ % EGR khác nhau.................................................................... 81
Bảng 5-6: Tốc độ tỏa nhiệt với tỉ lệ % EGR khác nhau ......................................................................... 83
Bảng 5-7: Mối quan hệ giữa bồ hóng và NOx sinh ra với tỉ lệ % EGR khác nhau................................ 95
Bảng 5-8: Bảng kết quả công suất và suất tiêu hao nhiên liệu ứng với % EGR .................................... 97


xi

DANH MỤC PHỤ LỤC
Phụ lục 1: Iprep.txt ................................................................................................................................. xiv
Phụ lục 2: Itape5.txt .............................................................................................................................. xvii
Phụ lục 3: Itapeerc.txt .......................................................................................................................... xxiii
Phụ lục 4: Otape12.txt_0% EGR ......................................................................................................... xxvi
Phụ lục 5: Otape12.txt_5% EGR ........................................................................................................xxxiv
Phụ lục 6: Otape12.txt_10% EGR .......................................................................................................xxxv
Phụ lục 7: Otape12.txt_15% EGR ......................................................................................................xxxvi
Phụ lục 8: Otape12.txt_20% EGR ..................................................................................................... xxxvii
Phụ lục 9: Otape12.txt_25% EGR .................................................................................................... xxxviii
Phụ lục 10: Otape12.txt_30% EGR .................................................................................................... xxxix
Phụ lục 11: Otape12.txt_35% EGR ......................................................................................................... xl
Phụ lục 12: Otape12.txt_40% EGR ........................................................................................................ xli
Phụ lục 13: Áp suất xy lanh (không phun)_thực nghiệm ....................................................................... xlii

Phụ lục 14: Áp suất xy lanh (có phun)_thực nghiệm ............................................................................. xlv


xii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Từ gốc

Nghĩa của từ

0

C

degree of Celsius

Độ Celsius

0

F

degree of Fahrenheit

Độ Fahrenheit

K

degree of Kelvin

Độ Kelvin

SCR

Selective Catalytic
Reduction

Giảm xúc tác có chọn lọc

PM

Particulate Matter

Hạt vật chất

HPL

High Pressure Loop

Vịng lặp áp suất cao

LPL

Low Pressure Loop

Vòng lặp áp suất thấp

CO

Carbon monoxide

Cạc-bon Mơ-nơ-xít

CO2

Carbon Dioxide

Cạc-bon Đi-ơ-xít

US EPA

United State Environmental
Protection Agency

Cơ quan bảo vệ mơi trường Hoa
Kỳ

deg.

degree

Độ (quay trục khuỷu)

NMHC

Non-methane hydrocarbon

Khơng có khí mêtan hydrocarbon

US FTP

United State Federal Test
Procedure

Quy trình thử nghiệm liên bang
Hoa Kỳ

DI

Direct Injection

Phun nhiên liệu trực tiếp

IDI

Indirect Injection

Phun nhiên liệu gián tiếp

DPF

Diesel Particulate Filter

Bộ lọc hạt Diesel

VVA

Variable Valve Actuation

Van biến thiên

EGR

Exhaust Gas Recirculation

Tuần hồn khí xả

BSFC

Brake Specific Fuel
Consumption

Hãm tiêu hao nhiên liệu

SOF

Soluble Organic Fraction

Phần hữu cơ hịa tan

HC

Hydro Carbon

Hi-đrơ Cạc-bon


xiii

VGT

Variable Geometry
Turbocharges

Turbo tăng áp biến hình

EDC

Electrically Driven Charge

Điều khiển bằng điện

NOx

Oxides of Nitrogen

Ơ xít Nitơ

rpm

Revolution per Minute

Vịng/phút

SOx

Oxides of Sulfur

Ơ xít lưu huỳnh

TDC

Top Dead Center

Điểm chết trên


1

CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU
1.1.

Lý do chọn đề tài

Cùng với các loại động cơ đang sử dụng hiện nay, động cơ Diesel là loại động cơ
được sử dụng rất phổ biến trên thế giới. Nó được sử dụng trong nhiều lĩnh vực của đời
sống con người đặc biệt là trong giao thơng, cơng nghiệp, nơng nghiệp… Do những lợi
ích của nó, từ khi ra đời đến nay động cơ Diesel không ngừng được cải tiến và phát
triển để ngày càng hoàn thiện và đạt năng suất cao.
Với sự phát triển của đất nước như hiện nay, động cơ Diesel là một trong những
loại động cơ góp phần rất lớn, đặc biệt là trong ngành nông nghiệp ở Việt Nam đáng
chú ý nhất là loại động cơ Diesel 1 xy-lanh. Công ty TNHH MTV Động cơ và Máy
nông nghiệp Miền Nam (SVEAM) là một trong những công ty hàng đầu trong lĩnh vực
cơ khí máy động lực và máy nơng nghiệp. Hiện nay những sản phẩm của công ty
SVEAM không những chiếm thị phần lớn ở Việt Nam và còn xuất khẩu đi hơn 20 quốc
gia trên thế giới. Trong những dòng sản phẩm của SVEAM trên thị trường thì động cơ
Diesel VIKYNO RV125-2 là loại động cơ chiếm tỉ trọng lớn nhất hiện nay với những
tính năng ưu việt so với các loại máy khác cùng chức năng như là: công suất phù hợp,

mức tiêu hao nhiên liệu thấp, gọn nhẹ, dễ sử dụng, chạy êm, bền bỉ và giá cả phù hợp,
sản phẩm này chiếm khoảng 30% tổng sản lượng động cơ Diesel hằng năm của Công
ty. Động cơ Diesel RV125-2 SWEAM sản xuất theo bản quyền của hãng Kubota (Nhật
Bản). Được sử dụng để làm máy hàn, máy bơm nước, máy phát điện, máy nén khí, ghe
thuyền, máy chế biến, máy cày, máy xới, máy xay xát, máy công nghiệp...
Tuy nhiên, do động cơ được sản xuất dựa trên bản quyền của Kubuta cách đây đã
20 năm, chế tạo theo cơng nghệ cũ nên những đặc tính của động cơ đặc biệt là đặc tính
cơng suất, hiệu suất nạp, khí thải cịn thấp. Vì vậy để đáp ứng được mục tiêu xuất khẩu
cũng như nâng cao thị trường trong nước thì cần phải nâng cao đặc tính của động cơ
đặc biệt cơng suất động cơ và về khí thải cần được cải tiến. Sử dụng hệ thống tuần


2

hồn khí thải là một trong những phương pháp tối ưu nhằm giảm ơ nhiễm khí thải từ
động cơ.
1.2.

Mục tiêu nghiên cứu và đối tượng nghiên cứu

1.2.1. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu chính của đề tài này là xác định các điều kiện hoạt động của
hồi lưu khí thải là tốt nhất về mặt phát thải và ít ảnh hưởng đến công suất động cơ
Diesel.
1.2.2. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu chính của luận văn này là động cơ Diesel một xy-lanh
VIKYNO RV125-2 buồng cháy thống nhất phun trực tiếp.

H nh 1-1

ng

1 y- nh ph n t

t p

12 -2


3

Bảng 1-1: Thông số kỹ thuật của đ ng
Kiểu

[TLTK Th o ông bố ủ S EAM]
RV125-2

Loại

4 kỳ, 1 xy-lanh, nằm ngang

SxD

90 x 94

Thể tích xy-lanh

624 cm3

Cơng suất định mức (mã lực/vịng/phút)

10,5/2200

Cơng suất tối đa

12,5/2400

Mơ-men cực đại (kgm/vịng/phút)

4,04/1800

Tỉ số nén

18:1

Nhiên liệu

Diesel

Thể tích thùng nhiên liệu

10,5 lít

Suất tiêu thụ nhiên liệu (g/mã lực/giờ)

185

Áp suất mở vịi phun (kgf/cm2)

220

Dầu bơi trơn
Thể tích dầu bôi trơn
Hệ thống đốt nhiên liệu

Nhớt 30 (SAE30, 20, 10W-30)
2,8 lít
Phun nhiên liệu

Hệ thống khởi động

Tay quay, khởi động điện

Hệ thống đèn chiếu

12V-25W

Hệ thống làm mát

Két nước

Thể tích nước làm mát(lít)

2,1

Trọng lượng (kg)

105

Kích thước: dài x rộng x cao (mm)

747 x 347 x 472


4

Góc mở sớm xupap nạp (IVO)

200 TĐCT

Góc đóng muộn xupap nạp (IVC)

450 SĐCD

Góc mở sớm xupap thải (EVO)

500 TĐCD

Góc đóng muộn xupap thải (EVC)

150 SĐCT

1.3.

Giới hạn đề tài

Luận văn này chỉ giới hạn trong nghiên cứu về mặt lý thuyết ảnh hưởng của hồi lưu
khí thải lên độ phát thải ô nhiễm và công suất của động cơ Diesel 1 xy-lanh VIKYNO
RV125-2 bằng phần mềm mô phỏng KIVA.
1.4.

Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Nội dung chính của luận văn này bao gồm:
-

Nghiên cứu xác định thực trạng động cơ VIKYNO RV125-2, thơng qua

tính tốn mơ phỏng và thực nghiệm trên băng thử động cơ.
-

Nghiên cứu các chế độ sử dụng hệ thống tuần hồn khí thải giúp giảm

phát thải ơ nhiễm trên động cơ bằng phần mềm mô phỏng chuyên sâu KIVA.
-

Dựa trên các kết quả nghiên cứu đề xuất chế độ sử dụng tuần hồn khí

thải tối ưu cho động cơ.
Luận văn sử dụng một số phương pháp nghiên cứu chính sau:
-

Nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu lý thuyết có liên quan đến ảnh hưởng

của hồi lưu khí thải và đặc tính động cơ Diesel 1 xy-lanh.
-

Nghiên cứu mơ phỏng: bằng phần mềm chuyên sâu để tiến hành mô hình

hóa và mơ phỏng động cơ Diesel 1 xy-lanh.

5

-

Tham khảo tài liệu và tư vấn chuyên gia: tham khảo các tài liệu liên quan

từ nhà sản xuất, tạp chí sách báo chun ngành, internet…
1.5.

Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới

Ở Việt Nam đã có một vài nghiên cứu liên quan đến động cơ Diesel 1 xy-lanh
RV125-2 như nghiên cứu của GS.TSKH Bùi Văn Ga và nhóm cộng sự về “Hệ thống
cung cấp Biogas cho động cơ Dual Biogas/Diesel” [1]; Nghiên cứu về “Tối ưu hóa q
trình cung cấp Biogas cho động cơ tĩnh tại sử dụng hai nhiên liệu Biogas và Diesel”
của GS.TSKH Bùi Văn Ga [2]; Hay “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp
nhiên liệu khí hóa lỏng (LPG) cho động cơ Diesel” của Đỗ Văn Dũng, Lê Thanh Phúc,
Lê Việt Hùng [3]; Nghiên cứu của Dương Tấn Việt, Lê Duy Linh, Dương Việt Dũng về
“Tính tốn – mơ phỏng quá trình tạo hỗn hợp trong hệ thống cung cấp Biogas cho động
cơ RV125-2” [4]. Tuy nhiên việc nghiên cứu vẫn chưa thể hiện được hết đặc tính cơng
suất của động cơ cũng như đáp ứng được nhu cầu thực tế.
Trên thế giới cũng có rất nhiều cơng trình nghiên cứu nhằm giảm được ơ nhiễm khí
thải trên động cơ tiêu biểu như của YMC Sekhar, S. Adinarayana, M. Anil Prakash, K.
Praveen, K. Ajay “Performance, Combustion and Emission of a PKME Fuelled DIDiesel Engine with Exhaust Gas Recirculation” [5]; hay là đề tài luận văn của Sunil
Kumar Panda “Reduction of NOx Emission in Diesel Engine using Exhaust Gas
Recirculation” [6]; ngồi ra cịn có cơng trình của Jaffar Hussain, K. Palaniradja, N.
Alagumurthi, R. Manimaran “Effect of Exhaust Gas Recirculation (EGR) on
Performance and Emission characteristics of a Three Cylinder Direct Injection

Compression Ignition Engine” [7]; A. Kumaraswamy, B. Durga Prasad “Performance
Analysic of a Dual Fuel Engine Using LPG and Diesel with EGR System” [8];
H.T.C.Machacon, S.Shiga, T.Karasawa và H.Nakamura, “The Effect of EGR on Diesel
Particulate Emissions” [9].


6

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1.

Tổng quan về động cơ Diesel VIKYNO RV125-2, vấn đề và thách thức

2.1.1. Phân tích đặc điểm động cơ Diesel VIKYNO RV125-2
Động cơ Diesel VIKYNO RV125-2 là dòng động cơ 1 xy-lanh phun trực tiếp, dùng
trong nơng nghiệp. Động cơ VIKYNO RV125-2 có nhiều ưu điểm như: tiết kiệm được
nhiên liệu, độ rung thấp và làm việc êm hơn, dễ khởi động và độ bền cao. Vì vậy, động
cơ đạt được chỉ tiêu sử dụng cao hơn và tiết kiệm được nhiên liệu hơn so với các máy
cùng loại sản xuất tại Việt Nam.
Hệ thống nhiên liệu của động cơ VIKYNO RV125-2 sử dụng bơm cao áp kiểu
Bosch nhỏ gọn, bơm cao áp này dùng van cao áp có vành giảm áp để tránh hiện tượng
phun rớt. Còn vòi phun sử dụng vòi phun kiểu tiết lưu nên lượng nhiên liệu phun nhỏ
khi bắt đầu phun và lượng nhiên liệu phun tăng lên dần dần khi phun nhiên liệu chính.
Động cơ VIKYNO RV125-2 sử dụng bộ điều tốc cơ khí, bộ điều tốc này có tác dụng
giữ tốc độ động cơ không thay đổi và đồng thời điều chỉnh cơng suất ra, nó khống chế
tốc độ động cơ ở bất cứ điểm nào giữa các vị trí tốc độ chạy khơng cực đại đến cực đại.
Về hệ thống hút, xả có bình lọc khơng khí và ống xả, động cơ này trang bị một bình
lọc khơng khí kiểu ướt. Cịn bình lọc khơng khí loại khơ kiểu lọc xốy ly tâm, khơng
khí hút vào bị xoáy lốc do các cánh và những hạt bụi và cặn lớn được tách tụ lại ở bộ
phận dẫn bụi do lực li tâm. Phần bụi và cặn bẫn còn lại được lọc hồn tồn qua phần tự

lọc của bình lọc khơng khí. Cịn ống xả dùng ống có đục lỗ có tấm chắn. Ống đục lỗ và
các tấm chắn có tác dụng làm giảm tiếng ồn khí xả một cách có hiệu quả.
Tuy RV125-2 có những ưu điểm vượt trội so với các dòng cùng chức năng được
sản xuất ở trong nước nhưng có một thực tế đó là cơng suất của động cơ vẫn cịn thấp
và lượng khí thải phát ra vẫn còn cao hơn so với các máy ngoại nhập cùng chức năng
đặc biệt là các máy nhập từ các nước tiên tiến trên thế giới.
Dưới đây là mặt cắt ngang và dọc của động cơ RV125-2.


7

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12

13

14

25

15
24

23

22

21

20

19

18

17

Hình 2-1: Mặt cắt ng ng đ ng

16

12 -2

1-Đĩa lò xo; 2-Lò xo xupáp; 3-Xupáp thải; 4-Nắp xy-lanh; 5-Xy-lanh; 6-Dây đai; 7Puly bánh đà; 8-Bánh đà; 9-Then; 10-Đai ốc; 11-Thanh truyền; 12-Trục khuỷu; 13Đường dầu bôi trơn; 14-Ổ lăn; 15-Bánh răng trục khuỷu; 16-Quả văng; 17-Bơm dầu
bôi trơn; 18-Bộ hạn chế nhiên liệu; 19-Bánh răng dẫn động trục cam; 20-Thanh răng;
21-Bơm cao áp; 22-Ống nạp; 23-Xupáp nạp; 24-Đòn bẩy; 25-Ống xả.


8

Hình 2-2: Mặt cắt dọ đ ng

12 -2

1-Ống xả; 2-Bình chứa nước; 3-Quạt gió; 4-Két nước; 5-Lọc dầu; 6-Thùng nhiên liệu;
7-Thanh truyền; 8-Bulông thanh truyền; 9-Nắp che; 10-Thân máy; 11-Trục khuỷu; 12Trục cam; 13-Con đội; 14-Chốt Piston; 15-Piston; 16-Vít xả nước; 17-Đũa đẩy; 18Nắp xy-lanh; 19-Xupáp; 20-Nắp chụp trên nắp xy-lanh; 21-Cò mổ; 22-Lò xo xupáp;
23-Vòi phun.
2.1.2. Vấn đề và thách thức đặt ra đối với động cơ VIKYNO RV125-2
Hiện nay, động cơ VIKYNO RV125-2 vẫn chiếm một thị phần khá lớn trên thị
trường Việt Nam và xuất khẩu ra nước ngoài. Nhưng do động cơ VIKYNO RV125-2
được sản xuất và đăng ký độc quyền cách đây đã 20 năm, vì vậy nó vẫn cịn nhiều mặt
hạn chế cần được cải tiến. Đặc biệt là vấn đề về công suất và khí thải.
Trước đây, ở Việt Nam đã có nhiều nghiên cứu về động cơ VIKYNO RV125-2


9

nhằm nâng cao công suất động cơ cũng như giảm thải ô nhiễm nhưng kết quả vẫn chưa
thể chỉ ra đầy đủ đặc tính của động cơ để từ đó đáp ứng được nhu cầu sử dụng ngày
càng cao.
Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng cũng như có thể cạnh tranh tốt hơn với những
dòng sản phẩm ngoại nhập và việc xuất khẩu ra thị trường nước ngồi thì cần phải
nâng cao hơn nữa tính hiệu quả và tính kinh tế của động cơ.

2.2.

Khái quát về các chất ô nhiễm trong khí thải động cơ Diesel phun trực tiếp

Tương tự như động cơ xăng, khí thải động cơ Diesel là sự kết hợp của Nitơ, Oxi,
Hydrocarbon và CO2. Khí thải của động cơ Diesel bao gồm phần lớn các phần tử của
khơng khí, nhưng chất này khơng làm nguy hại đến mơi trường. Cịn lại khoảng 6,5%
là các chất khí có thể ảnh hưởng lớn đến mơi trường cần được kiểm soát.
Carbon Dioxide (CO2) quan hệ trực tiếp đến hiệu suất của một đơn vị quá trình
cháy. Hiệu suất càng cao bao nhiêu thì lượng khí CO2 thải ra càng thấp bấy nhiêu.
Động cơ Diesel có hiệu suất cao vì thế lượng khí CO2 thải ra thấp hơn rất nhiều so với
các loại động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu khác. CO2 là khí gây nên hiệu ứng nhà
kính, vì thế cần được kiểm sốt ở mức độ có thể chấp nhận được.
CO và HC trực tiếp liên quan đến quá trình cháy. Nếu quá trình cháy xảy ra hồn
hảo thì lượng khí CO và HC sẽ thấp. Tương tự CO2, CO và HC cũng cần được kiểm
soát khi nói đến ơ nhiễm do khí thải của động cơ đốt trong. SOx lại liên quan đến việc
chọn nhiên liệu sử dụng. Nếu nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh cao thì khí thải sẽ có
nhiều SOx. Chính vì vậy, ngày nay dầu Diesel có hàm lượng lưu huỳnh thấp được sử
dụng rất phổ biến trong ngành vận tải. Bên cạnh việc sử dụng nhiên liệu có hàm lượng
lưu huỳnh thấp, các nhà sản xuất có thể trang bị thêm bộ lọc SOx, tuy nhiên bộ lọc
ngày nay có kích thước to và giá đắt nên vẫn chưa được sử dụng nhiều.
Bồ hóng là chất ơ nhiễm đặc biệt quan trọng trong khí thải động cơ Diesel, đặc biệt
là động cơ Diesel phun trực tiếp. Quá trình cháy khuếch tán của loại động cơ này rất