Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số hình học của buồng cháy đến đặc tính động cơ vikyno rv125 2 bằng mô phỏng

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

NGUYỄN ĐẮC KHÁNH HƯNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THƠNG SỐ HÌNH HỌC
CỦA BUỒNG CHÁY ĐẾN ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ
VIKYNO RV125-2 BẰNG MƠ PHỎNG

Chun ngành: Kỹ thuật ơ tơ – máy kéo
Mã số: 60.52.35

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2014


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Nguyễn Lê Duy Khải
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. Huỳnh Thanh Công
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS. TS. Đặng Thành Trung
(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 28 tháng 7 năm 2014
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. PGS. TS. Nguyễn Hữu Hường

2. TS. Nguyễn Ngọc Dũng
3. TS. Huỳnh Thanh Công
4. PGS. TS. Đặng Thành Trung
5. TS. Nguyễn Lê Duy Khải
Xác nhận của chủ tịch hội đồng đánh giá LV và Trưởng khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


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

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

__________________________

____________________________

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN ĐẮC KHÁNH HƯNG

MSHV: 11130427

Ngày, tháng, năm sinh: 04/12/1984

Nơi sinh: Bà Rịa - Vũng Tàu

Chuyên ngành: Kỹ thuật ô tô – máy kéo

Mã số: 60.52.35

I. TÊN ĐỀ TÀI: “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thơng số hình học của buồng cháy
đến đặc tính động cơ Vikyno RV125-2 bằng mơ phỏng”.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu ảnh hưởng của các thơng số hình học của buồng
cháy đến cơng suất và khí thải của động cơ Diesel phun trực tiếp tại Việt Nam và trên
Thế Giới.
2. Nghiên cứu ứng dụng phần mềm mô phỏng KIVA3V-Release vào động cơ cụ thể
(động cơ thí nghiệm 1 xy lanh của hãng Vikyno RV125-2 - Phịng Thí nghiệm Động
cơ đốt trong, Trường Đại học Bách khoa Tp.Hồ Chí Minh).
3. Nghiên cứu tác động của thông số “thông số hình học của buồng cháy” đến cơng suất
và khí thải của động cơ Diesel phun trực tiếp.
4. Tổng kết đánh giá.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 10/02/2014
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 20/06/2014
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên ):
TS. NGUYỄN LÊ DUY KHẢI
Tp. HCM, ngày ……tháng ……năm 2014
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

i

LỜI CÁM ƠN
Để luận văn hoàn thành và đạt kết quả tốt, ngồi sự cố gắng của chính bản
thân mình, em xin chân thành cám ơn tất cả Quí Thầy, Cô, các bạn sinh viên trong
Bộ môn 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 Quí 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 cơng 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 Q
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 Đắc Khánh Hưng


ii

TÓM TẮT
Luận văn nghiên cứu ảnh hưởng của một số thơng số hình học của buồng

cháy trên động cơ Diesel phun trực tiếp đến cơng suất và ơ nhiễm khí thải bằng
phương pháp mơ phỏng. Cụ thể, thơng số “hình dạng hình học” của buồng cháy
được thay đổi để đánh giá sự tác động đến công suất và phát thải bồ hóng cũng
như NOx trong khí thải động cơ Diesel phun trực tiếp.
Mỗi thơng số hình học 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 hình dạng buồng cháy thay đổi theo hướng tăng các thông số sẽ làm cho
NOx giảm và lượng bồ hóng tăng. Đặc biệt, khi tăng đường kính buồng cháy thì
cơng suất tăng đáng kể, NOx giảm cịn bồ hóng thì chia thành hai giai đoạn: thoạt
đầu lượng bồ hóng tăng nhưng sau đó lượng bồ hóng lại giảm trở lại nhưng vẫn
cao hơn dạng buồng cháy ban đầu.

ABSTRACT
The thesis introduces the research into influence of combustion chamber
geometry parameters on direct injection Diesel (DI Diesel engine) engine
performance and emission, using simulation. The “origin combustion chamber”
was also changed in variable curve to appreciate the effect on DI Diesel engine
performance and emit particulates and oxides of nitrogen.
Each geometry parameter 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 “Geometry parameter”; Especially when
increased “Bowl diameter” parameter (compression ratio unchanged), the power
rapid increased, amount of oxides of nitrogen decreased and change in the
particulates divide two stages: the fist of all, particulates increased, after that, it
decreased due to combustion oxidation.


iii

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn này được thực hiện tại trường Đại học Bách Khoa TP HCM với sự
hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Nguyễn Lê Duy Khải. Các kết quả của luận văn
này tơi xin cam đoan do chính tơi thực hiện tại phịng Thí Nghiệm Trọng Điểm
Động Cơ Đốt Trong, đại học Bách Khoa TP HCM.
Các phần tham khảo tơi xin cam đoan là có trích dẫn đầy đủ.
Nếu có khiếu nại về nội dung luận văn, tơi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm
trước nhà trường, và pháp luật.
TP.Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2014
Học viên cam đoan

Nguyễn Đắc Khánh Hưng


iv

MỤC LỤC
Trang
Lời cảm ơn ..................................................................................................

i

Tóm tắt – Abstract .......................................................................................

ii

Lời cam đoan ...............................................................................................

iii

Mục lục………………………………………………………………….....

iv

Mục lục hình ảnh .........................................................................................

vii

Mục lục bảng biểu .......................................................................................

ix

Mục lục phụ lục ...........................................................................................

x

Danh mục các chữ viết tắt ...........................................................................

xi

CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. Nghiên cứu tổng quan trong và ngoài nước .........................................

1

1.2. Lý do chọn đề tài ..................................................................................

3

1.3. Mục đích và đối tượng nghiên cứu ......................................................

3

1.4. Ưu và nhược điểm của phương pháp nghiên cứu bằng mô phỏng ......

4

CHƯƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Khái quát về các chất ơ nhiễm trong khí thải động cơ Diesel phun
trực tiếp ..............................................................................................

5

2.1.1. Bồ hóng (muội than).................................................................

6

2.1.1.1. Thành phần hạt bồ hóng ...............................................

6

2.1.1.2. Cấu trúc hạt bồ hóng ....................................................

6

2.1.2. Oxít Nitơ NOx ..........................................................................

8

2.2. Các dạng buồng cháy trên động cơ Diesel phun trực tiếp ...................

9

2.3. Các thơng số hình học của buồng cháy ................................................

10

2.4. Ảnh hưởng của hình dạng buồng cháy đến đặc tính động cơ ..............

12

2.4.1. Ảnh hưởng của hình dạng buồng cháy đến sự hình thành
hịa khí, sự cháy và các chất gây ô nhiễm................................

12


v

2.4.1.1. Dạng buồng cháy thống nhất .......................................

12

2.4.1.2. Dạng buồng cháy khoét sâu trên đỉnh piston ...............

12

2.4.1.3. Dạng buồng cháy khoét sâu trên đỉnh piston hình cầu
(quá trình M)………………………………………….

13

2.4.2. Ảnh hưởng của hình dạng buồng cháy đến kết cấu vịi phun
nhiên liệu……………………………………………………..

14

2.4.2.1. Dạng buồng cháy thống nhất…………………………

14

2.4.2.2. Dạng buồng cháy khoét sâu trên đỉnh piston………..

14

2.4.2.3. Dạng buồng cháy khoét sâu trên đỉnh piston hình cầu
(quá trình M)………………………………………….

15

2.4.3. Ảnh hưởng của hình dạng buồng cháy đến góc đặt vịi phun
nhiên liệu……………………………………………………..

15

2.4.3.1. Dạng buồng cháy thống nhất…………………………

15

2.4.3.2. Dạng buồng cháy khoét sâu trên đỉnh piston………..

15

2.4.3.3. Dạng buồng cháy khoét sâu trên đỉnh pistion hình cầu
(q trình M)………………………………………….

16

2.5. Lý thuyết mơ phỏng…………………………………………………..

16

2.6. Các mơ hình tốn sử dụng trong mơ phỏng………………………….

17

2.6.1. Mơ hình phân rã tia phun “Kelvin-Helmholtz và ReyleighTaylor”……………………………………………………….

17

2.6.2. Mơ hình bay hơi hạt nhiên liệu………………………………

19

2.6.3. Mơ hình dịng chảy rối “Renormalized Group kepsilon”(RNG k-e)…………………………………………...

21

2.6.4. Mơ hình hình thành NOx……………………………………..

24

2.6.5. Mơ hình hình thành bồ hóng………………………………….

25

CHƯƠNG III : TẠO LƯỚI VÀ THIẾT LẬP CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG CƠ
NGHIÊN CỨU
3.1. Tạo lưới ...............................................................................................

29

3.2. Cấu trúc chương trình mơ phỏng KIVA3V-Release............................

31

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

32


vi

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

32

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

35

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

36

3.3.3.1. Đồng nhất áp suất xy lanh khi không phun nhiên liệu ....

36

3.3.3.2. Đồng nhất áp suất xy lanh khi có phun nhiên liệu ..........

38

CHƯƠNG IV : ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH DẠNG BUỒNG CHÁY ĐẾN
CÔNG SUẤT VÀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG
4.1. Điều kiện mô phỏng .............................................................................

40

4.2. Thông số thay đổi .................................................................................

40

4.3. Kết quả và thảo luận .............................................................................

43

4.3.1. Ảnh hưởng của hình dạng buồng cháy đến áp suất và nhiệt
độ trong xy lanh .........................................................................

43

4.3.2. Ảnh hưởng của hình dạng buồng cháy đến tốc độ tỏa nhiệt ....

47

4.3.3. Ảnh hưởng của hình dạng buồng cháy đến hình thành bồ
hóng ...........................................................................................

50

4.3.4. Ảnh hưởng của hình dạng buồng cháy đến hình thành NOx..

53

4.3.5. Ảnh hưởng của hình dạng buồng cháy đến cơng suất động
cơ………………………………………………………………

57

4.4. Kết luận ................................................................................................

60

CHƯƠNG V : KẾT LUẬN
5.1. Kết luận ................................................................................................

61

5.2. Đề xuất hướng phát triển ......................................................................

62

Tài liệu tham khảo .......................................................................................

xii

Phụ lục….. ...................................................................................................

xv

Lý lịch trích ngang………………………………………………………… xxviii


vii

MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Số hiệu hình

Trang

2-1

Cấu trúc chuỗi bồ hóng ................................................................................... 7

2-2

Dạng những hạt sơ cấp .................................................................................... 7

2-3

Mơ hình cấu trúc dạng hạt .............................................................................. 7

2-4

Cấu trúc tinh thể graphit .................................................................................. 7

2-5

Các hình dạng buồng cháy ..............................................................................10

2-6

Các thơng số hình học của buồng cháy ...........................................................11

2-7

Các thơng số hình học cơ bản của buồng cháy ...............................................11

2-8

Sơ đồ hình thành bồ hóng “8 bước” của Foster ..............................................26

3-1

Bản vẽ thiết kế piston Vikyno RV125-2 ........................................................30

3-2

Phân vùng và lập tọa độ điểm vị trí biên của piston .......................................30

3-3

Mơ hình lưới buồng đốt piston Vikyno RV125-2 với góc mơ phỏng
900....................................................................................................................31

3-4

Sơ đồ thí nghiệm .............................................................................................33

3-5

Hình ảnh thực tế khi tiến hành thí nghiệm ......................................................34

3-6

Đồng nhất áp suất xy lanh khi không phun nhiên liệu ....................................38

3-7

Đồng nhất áp suất xy lanh ở chế độ 80% tải ...................................................39

4-1

Buồng cháy ban đầu và các dạng buồng cháy đã được thay đổi theo
thơng số hình học ............................................................................................41

4-2

Các thơng số hình học buồng cháy .................................................................41

4-3

Mối quan hệ giữa áp suất trung bình và góc quay trục khuỷu theo các
dạng buồng cháy khác nhau ............................................................................43

4-4

Đồ thị nhiệt độ trung bình trong xy lanh khi thay đổi hình dạng
buồng cháy ......................................................................................................44

4-5

Phân bố nhiệt độ trong xy lanh tại thời điểm 20 góc quay trục khuỷu
sau khi phun ....................................................................................................46

4-6

Đồ thị tốc độ tỏa nhiệt .....................................................................................48

4-7

Đồ thị lượng bồ hóng phát thải tương ứng với các dạng buồng cháy
khác nhau .......................................................................................................50

4-8

Đồ thị mơ tả sự hình thành và ơ xy hóa bồ hóng, khối lượng phát thải
cuối cùng .........................................................................................................52

viii

4-9

Đồ thị lượng NOx phát thải tương ứng với các hình dạng buồng cháy
khác nhau ........................................................................................................53

4-10

Đồ thị nhiệt độ cực đại trong xy lanh theo góc quay trục khuỷu ....................54

4-11

Phân bố nhiệt độ lớn nhất trong xy lanh tương ứng các hình dạng
hình học của buồng cháy: buồng cháy ban đầu, tăng độ sâu, tăng
đường kính đáy và tăng đường kính miệng tại 15degATDC ..........................55

4-12

Khối lượng NOx hình thành trong xy lanh tương ứng các hình dạng
hình học của buồng cháy: buồng cháy ban đầu, tăng độ sâu, tăng
đường kính đáy và tăng đường kính miệng tại 15degATDC ..........................56

4-13

Đồ thị công suất động cơ theo các dạng buồng cháy khác nhau ....................57

4-14

Đồ thị tiêu hao nhiên liệu theo các dạng buồng cháy khác nhau……...

59


ix

MỤC LỤC BẢNG BIỂU
Số hiệu bảng biểu

Trang

2-1

Các hằng số mô hình KH-RT ......................................................................... 19

2-2

Các tốc độ phản ứng sử dụng trong mơ hình bồ hóng “8 bước” của
Foster .............................................................................................................. 27

3-1

Thơng số động cơ 1 xy lanh Vykino RV125-2............................................... 29

4-1

Thông số q trình mơ phỏng ......................................................................... 40

4-2

Thơng số hình dạng buồng cháy ban đầu và buồng cháy đã thay đổi
hình dạng ........................................................................................................ 42

4-3

Áp suất trong xy lanh ở các dạng buồng cháy khác nhau .............................. 44

4-4

Nhiệt độ trong xy lanh ở các dạng buồng cháy khác nhau ............................. 45

4-5

Mối quan hệ giữa hình dạng buồng cháy đến giá trị tỏa nhiệt cực đại
trong buồng cháy ............................................................................................ 48

4-6

Lượng bồ hóng phát thải tương ứng với các hình dạng buồng cháy
khác nhau……………………………………………………………...

50

Lượng NOx phát thải tương ứng với các hình dạng buồng cháy khác
nhau……………………………………………………………………

53

4-8

Công suất động cơ ở các dạng buồng cháy khác nhau……………….

58

4-9

Tiêu hao nhiên liệu ở các dạng buồng cháy khác nhau………………

58

4-7


x

MỤC LỤC PHỤ LỤC
Phụ lục 1: Irep.txt ....................................................................... xv
Phụ lục 2: Itape5.txt ................................................................... xviii
Phụ lục 3: Itapeerc.txt ................................................................ xxiii
Phụ lục 4: Otape12.txt_Buồng cháy ban đầu ............................. xxvi
Phụ lục 5: Otape12.txt_Tăng độ sâu .......................................... xxxi
Phụ lục 6: Otape12.txt_Tăng đường kính đáy ........................... xxxii
Phụ lục 7: Otape12.txt_Tăng đường kính miệng ....................... xxxiii
Phụ lục 8: Áp suất xy lanh (không phun)_thực nghiệm ............ xxxiv
Phụ lục 9: Áp suất xy lanh (có phun)_thực nghiệm .................. xxxvi


xi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Từ gốc

QĐ-TTg
0

Nghĩa của từ
Quyết định – Thủ tướng

C

degree of Celsius

Độ Celsius

K

degree of Kelvin

Độ Kelvin

ATDC

After Top Dead Center

Sau điểm chết trên

BTDC

Before Top Dead Center

Trước điểm chết trên

CAD

Crank - shaft Angle Degree

Độ quay trục khuỷu

CO

Carbon monoxide

Cạc-bon Mơ-nơ-xít

CO2

Carbon Dioxide

Cạc-bon Đi-ơ-xít

deg.

degree

Độ (quay trục khuỷu)

degATDC

degree After Top Dead
Center

Độ quay trục khuỷu sau điểm chết
trên

degBTDC

degree Before Top Dead
Center

Độ quay trục khuỷu trước điểm
chết trên

DI

Direct Injection

Phun nhiên liệu trực tiếp

ERC

Engine Research Center

Trung tâm nghiên cứu động cơ

EU

Europe United

Các nước liên minh Châu Âu

EVO

Exhaust Valve Open

Thời điểm xú páp xả mở ra

IVC

Intake Valve Close

Thời điểm xú páp nạp đóng

KH-RT

Kelvin-Helmholtz and
Rayleigh-Taylor model

Mơ hình lai KH-RT

NOx

Oxides of Nitrogen

Ơ xít Nitơ

RNG k-e

Renormalized Group k-e
model

Mơ hình dịng chảy rối “RNG k-e”

rpm

Revolution per Minute

Vịng/phút

SAE

Society of Automotive
Engineering

Hiệp hội kỹ sư Ơtơ

SOx

Oxides of Sulfur

Ơ xít lưu huỳnh


-1-

CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. Nghiên cứu tổng quan trong và ngoài nước

Trong xã hội phát triển ngày nay, ơ tơ đóng vai trị chính trong sự phát triển
cơng nghiệp và kinh tế cũng như đáp ứng được các nhu cầu của cuộc sống. Công
nghiệp phát triển kéo theo hàng loạt các vấn đề phát sinh: Tiêu thụ nhiên liệu càng
nhiều dẫn đến khí thải cacbon dioxide (CO2) càng tăng, lượng ơ tơ cũng ngày một
gia tăng và vì vậy mà ô tô là một trong những nguồn gây ô nhiễm lớn đến môi
trường.
Dựa vào tốc độ phát triển kinh tế như hiện nay cùng với sự gia tăng nhanh
chóng số lượng xe ơ tơ, vấn đề cấp bách đang đặt ra là tình trạng ơ nhiễm mơi
trường do ô tô gây ra. Để giảm thiểu ô nhiễm môi trường do động cơ đốt trong
ngày nay, hàng loạt giải pháp đã được thực hiện: Sử dụng các nguồn năng lượng
sạch, các nguồn năng lượng thay thế, ứng dụng các kỹ thuật mới trong quá trình
cháy của động cơ.
Vấn đề ô nhiễm nguồn không khí ngày càng trở nên nghiêm trọng và các
qui định ngày càng nghiêm ngặt về môi trường của các quốc gia và thế giới về khí
thải từ động cơ bị đề cập đến.
Theo lộ trình về tiêu chuẩn khí thải ở nước ta trong thời gian sắp tới, trong
Quyết định số 49/2011/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ ban hành ngày
1/9/2011 quy định lộ trình áp dụng tiêu chuẩn khí thải, các loại xe ơ tơ sản xuất,
lắp ráp và nhập khẩu mới phải áp dụng tiêu chuẩn khí thải mức 4 (Euro 4) từ ngày
1/1/2017 và mức 5 (Euro 5) từ ngày 1/1/2022. Trong khi đó, các loại xe mô-tô hai
bánh sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới phải áp dụng tiêu chuẩn khí thải mức 3
(Euro 3) từ ngày 1/1/2017. Theo các mức tiêu chuẩn khí thải nói trên thì hầu hết ơ
tơ sử dụng nhiên liệu diesel hiện nay ở nước ta điều khơng thể đáp ứng vì động cơ


-2-

sử dụng nhiên liệu Diesel hầu hết điều có mức phát thải gây ô nhiễm rất cao, vượt
quá nồng độ cho phép trong các tiêu chuẩn khí thải mức 4 và 5.
Do vậy, việc nghiên cứu các giải pháp kĩ thuật nhằm làm giảm thành phần

các chất gây ô nhiễm trong khí thải trên động cơ đốt trong bằng cách thay đổi hình
dạng buồng cháy đã và đang được nhiều nhà khoa học nghiên cứu. Một số nghiên
cứu liên quan như sau:
Arturo de Risi, Teresa Donateo và Domenico Laforgia tại trường đại học
Lecce – Dipartimento, Italia tối ưu hóa hình dạng buồng cháy của động cơ Diesel
phun trực tiếp.[1]
Arturo de Risi, Teresa Donateo và Domenico Laforgia tại trường đại học
Lecce – Dipartimento, Italia nghiên cứu lý thuyết về tác động của hình dạng hình
học của buồng cháy và tốc độ động cơ đến muội than và NOx trong khí thải.[2]
Rahman M. Montajir, H. Tsunemoto và H. Ishitani ở Viện kĩ thuật Kitami
cùng với T. Minami ở công ty Isuzu motor nghiên cứu về tác động của hình dạng
hình học của buồng cháy.[3]
G. M. Bianchi và P. Pelloni ở đại học Bologna, F. E. Corcione ở C.N.R
Napoli, E. Mattarelli ở đại học Modena và F. Luppino Bertoni ở VM Motori
nghiên cứu hình dạng của buồng cháy trên động cơ Common Rail.[4]
D. D. Wickman, P. K. Senecal và R. D. Reitz ở trung tâm nghiên cứu động
cơ đại học Wisconsin – Madison nghiên cứu hình dạng hình học buồng cháy động
cơ Diesel bằng cách tối ưu hóa sử dụng các thuật tốn và mô phỏng.[5]
Mặc dù vậy, hiện nay ở Việt Nam hiện vẫn chưa có cơng trình nghiên cứu
nào về việc thay đổi hình dạng buồng cháy trên động cơ Diesel máy nông nghiệp.


-3-

1.2. Lý do chọn đề tài
Trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng, số lượng xe tham gia lưu
thông trên đường ngày một tăng lên, công suất động cơ trên xe cũng tăng đáng kể.
Việc tăng công suất cũng đồng nghĩa với tăng kích thước động cơ, điều này làm
tăng chi phí sản xuất và vấn đề ơ nhiễm cũng nảy sinh theo. Làm sao có thể vừa
tăng được cơng suất động cơ mà vẫn kiểm sốt được ô nhiễm, bảo vệ sức khỏe

của cộng đồng? Một chiến lược tổng thể được đặt ra là: Sử dụng xe sạch, nhiên
liệu sạch, nghiên cứu cải tiến kĩ thuật động cơ và qui hoạch giao thơng, sử dụng
đất hợp lí.
So với trước kia, ơ tơ ngày nay có cơng suất lớn hơn gấp nhiều lần. Các
công nghệ được ứng dụng trên động cơ nhằm mục đích điều khiển q trình phun
nhiên liệu, đánh lửa một cách chính xác giúp tăng cơng suất động cơ, thêm vào đó
việc nghiên cứu cải tiến các thông số kĩ thuật của động cơ cũng góp giảm phát thải
động cơ trong khi các thơng số khác không thay đổi.
Nghiên cứu cải tiến các thông số kĩ thuật của động cơ mà cụ thể là cải tiến
hình dạng buồng cháy là một trong những giải pháp khả thi, tuy nhiên, để có thể
thay đổi hình dạng buồng cháy động cơ cần có các nghiên cứu mơ phỏng với kết
quả tin cậy để thực hiện nhằm làm giảm thời gian chế tạo và cũng nhằm giảm chi
phí sản xuất. Vì vậy, nghiên cứu ảnh hưởng của các thơng số hình học của buồng
cháy đến đặc tính động cơ bằng mô phỏng là một việc rất cần thiết.
1.3. Mục đích và đối tượng nghiên cứu
Mục đích chính của nghiên cứu này là nghiên cứu ảnh hưởng của các thơng
số hình học của buồng cháy đến đặc tính động cơ Vikyno RV125-2 sử dụng
phương pháp mơ phỏng, qua đó so sánh với đặc tính của động cơ thực tế và tối ưu
hóa hình dạng buồng cháy của động cơ để nâng cao tính năng hoạt động của động
cơ, đạt công suất tối ưu và giảm ô nhiễm môi trường.


-4-

Đối tượng của nghiên cứu là động cơ Vikyno RV125-2.
1.4. Ưu và nhược điểm của phương pháp nghiên cứu bằng mơ phỏng
 Khái niệm
-

Mơ phỏng là q trình diễn tả một sự vật hoặc một hiện tượng cho một đối

tượng khác hiểu và làm được. Đối với những hiện tượng lớn mà mơ phỏng
theo phương pháp trên khó thực hiện được nên người ta chuyển qua một
hàm theo thời gian t: f(t). Tuy nhiên, phải nén thời gian lại theo mơt cách
riêng để có thể diễn tả f(t).

-

Mơ phỏng là việc tạo ra một mơ hình đơn giản cho vật thể hoạt động dựa
trên những quy luật mô phỏng theo điều kiện thực tế, trên mơ hình này ta
có thể xác định những thông số tác động và các đặc tính làm việc của vật
thể đó.

 Ưu và nhược điểm của phương pháp mô phỏng
Ưu điểm:
-

Tiết kiệm thời gian và chi phí do khơng phải chế tạo nhiều vật mẫu để thử
nghiệm.

-

Có thể xem xét gần như khơng hạn chế mức độ chi tiết của các kết quả mơ
phỏng.

-

Có thể áp đặt các điều kiện ban đầu rất khắc nghiệt mà phương pháp thực
nghiệm khó tạo ra.

-

Tránh việc chế tạo các vật mẫu nghiên cứu không cần thiết.

-

Khắc phục trước các sai sót có thể khi chế tạo vật mẫu.

-

Loại bỏ tính ước lượng, đốn chừng trong thiết kế vật nghiên cứu.
Nhược điểm:

-

Kết quả mô phỏng phụ thuộc nhiều vào các thơng số ban đầu nên mức độ
chính xác chưa hoàn toàn như thực tế.

-

Do sự hạn chế về tốc độ xử lý của máy tính nên đối với những bài tốn
phức tạp vẫn địi hỏi mất nhiều thời gian và tương đối tốn kém.


-5-

CHƯƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Khái quát về các chất ơ 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, Hidrocarbon (HC) và Carbon Dioxide (CO2). Khí thải của động cơ

Diesel bao gồm phần lớn các phần tử của khơng khí, những chất này khơng làm
nguy hại lớn đến mơi trường. Cịn lại khoảng 6,5% là các chất khí có thể ảnh
hưởng lớn đến mơi trường cần được kiểm sốt.
CO2 quan hệ trực tiếp đến hiệu suất của 1 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 [6]. CO2 là khí gây nên hiệu ứng nhà
kính, vì vậy cần được cần được kiểm sốt ở mức độ có thể chấp nhận được.
Carbon monoxide (CO) và HC trực tiếp liên quan đến q trình cháy. Nếu
q trình cháy xảy ra hồn hảo thì lượng khí CO và HC sẽ thấp. Tương tự như
CO2, CO và HC cũng cần được kiểm soát khi nói đến ơ nhiễm do khí thải của
động cơ đốt trong.
Oxides of Sulfur (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 quá mắc nên vẫn chưa được sử dụng nhiều.
Bồ hóng là chất ơ nhiễm đặc biệt quan trọng trong khí xả động cơ Diesel,
đặc biệt là động cơ Diesel phun trực tiếp. Quá trình cháy khuếch tán của loại động
cơ này rất thuận lợi cho việc tạo ra bồ hóng. Trong q trình bốc hơi của nhiên
liệu, sự tập trung cục bộ hơi nhiên liệu tại vùng có nhiệt độ cao là nguyên nhân


-6-

chính sản sinh ra bồ hóng. Bồ hóng được cho là nguyên nhân gây ung thư và có
thể gây nguy hại cho sức khỏe con người.
Bên cạnh đó, đối với động cơ Diesel phun trực tiếp, Oxít Nitơ NOx là một
trong những chỉ tiêu quan trọng đánh giá khí thải. Quá trình cháy khuếch tán của

động cơ Diesel là một trong những tác nhân chính dẫn đến sự xuất hiện của NOx
trong khí thải. Chính vì lí do đó, việc khống chế NOx là công việc đầu tiên và
quan trọng khi nói đến việc xử lí khí thải trên động cơ này.
2.1.1. Bồ hóng (muội than)
2.1.1.1.
-

Thành phần hạt bồ hóng

Cacbon: Thành phần này ít nhiều phụ thuộc vào nhiệt độ cháy và hệ số
dư lượng khơng khí trung bình, đặc biệt là khi động cơ hoạt động ở chế
độ đầy tải hoặc quá tải.

-

Dầu bôi trơn không cháy: Đối với động cơ cũ, thành phần này chiếm tỉ lệ
lớn, lượng dầu bôi trơn bị tiêu hao và lượng hạt bồ hóng có quan hệ với
nhau.

-

Nhiên liệu chưa cháy hoặc cháy khơng hồn tồn: Thành phần này phụ
thuộc vào nhiệt độ và hệ số dư lượng khơng khí.

-

Sunfur: Do lưu huỳnh trong nhiên liệu bị ơxi hóa thành SO2 hoặc SO4.

-

Các chất khác: Can xi, Silicon, Chromium, Phốt pho…
Thành phần hạt bồ hóng cịn phụ thuộc vào tính chất nhiên liệu, đặc điểm

của quá trình cháy, dạng động cơ cũng như thời hạn sử dụng của động cơ. Thành
phần bồ hóng trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh cao
khác với nhiên liệu có hàm lương lưu huỳnh thấp.
2.1.1.2.

Cấu trúc hạt bồ hóng

Hình 2-1 và 2-2 trình bày ảnh chụp khuếch đại của chuỗi và hạt sơ cấp tạo
thành hạt bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel. Một cách tổng quát có thể nói hạt
bồ hóng mà người ta thường gọi hình thành do sự liên kết của nhiều hạt sơ cấp
hình cầu thành từng khối hoặc chuỗi. Một hạt bồ hóng có thể chứa đến 4000 hạt


-7-

hình cầu sơ cấp. các hạt sơ cấp này có đường kính từ 10 đến 80nm và đại bộ phận
hạt nằm trong khoảng 15-30nm. Đường kính trung bình của các hạt bồ hóng nằm
trong khoảng 100-150nm, có khi lên đến 500-1000nm.

Hình 2-1.Cấu trúc chuỗi bồ hóng

Hình 2-2. Dạng những hạt sơ cấp

Cấu trúc tinh thể của hạt bồ hóng trong khí xả động cơ Diesel có dạng
tương tự như graphit (hình 2-3 và 2-4) nhưng ít đều đặn hơn. Mỗi hạt sơ cấp hình
cầu là một tập hợp khoảng 1000 mầm tinh thể, có dạng phiến mỏng, được xếp
đồng tâm quanh tâm của mỗi hạt cầu, tương tự như cấu trúc hạt cacbon đen.

Những nguyên tử cacbon kết nối với nhau theo các phiến lục giác phẳng, cách
nhau 0,34-0,36nm (nhỉnh hơn một chút so với graphit: 0,33nm) các phiến này kết
hợp với nhau tạo thành mầm tinh thể (từ 2-5 phiến) với cấu trúc giống như cacbon
đen. Những mầm tinh này lại sắp xếp theo các hướng song song với mặt hạt cầu
với kết cấu siêu tĩnh để tạo thành các hạt.

Hình 2-3. Mơ hình cấu trúc dạng hạt
sơ cấp

Hình 2-4. Cấu trúc tinh thể graphit


-8-

2.1.2. Oxít Nitơ NOx
NOx là kết quả của sự kết hợp giữa Ơxi và Nitơ trong khơng khí ở điều kiện
nhiệt độ cao và áp suất cao trong buồng đốt. Nhiệt độ cần thiết để hình thành NOx
là trên 1800K (13710C), chỉ xuất hiện trong kì nổ của động cơ. Chất ô nhiễm này
ngày càng được quan tâm và trong một số trường hợp, nó là chất ơ nhiễm chính
làm giới hạn tính năng kỹ thuật của động cơ.
Q trình cháy trong động cơ Diesel gồm 2 giai đoạn : Giai đoạn cháy đồng
nhất diễn ra ngay sau thời kì cháy trễ và giai đoạn cháy khuếch tán. Sự phân bố
nhiệt độ và thành phần khí cháy trong khơng gian buồng cháy là khơng đồng nhất.
Với q trình cháy khuếch tán, màng lửa xuất hiện ở những khu vực cục bộ có
thành phần hỗn hợp gần với giá trị cháy lí thuyết. Trong q trình này, ln tồn tại
những khu vực hay các “túi” khơng khí có nhiệt độ thấp. Nhờ bộ phận khơng khí
này mà NO hình thành trong buồng cháy động cơ Diesel được làm mát (gọi là sự
“tơi” NO) nhanh chóng hơn và do đó NO ít có khuynh hướng bị phân giải.
Sự hình thành NO do oxy hóa Nitơ trong khơng khí có thể được mơ tả bởi
cơ chế Zeldovich. Trong động cơ, quá trình cháy diễn ra trong điều kiện áp suất

cao, vùng phản ứng rất mỏng và thời gian cháy rất ngắn, thêm vào đó, áp suất
trong xy-lanh tăng trong q trình cháy, điều này làm nhiệt độ của bộ phận khí
cháy trước cao hơn nhiệt độ đạt được ngay sau khi ra khỏi khu vực màng lửa nên
đại bộ phận NO hình thành trong khu vực sau màng lửa. Sự hình thành NO phụ
thuộc rất mạnh vào nhiệt độ. Phản ứng tạo NO có tốc độ thấp hơn nhiều so với
phản ứng cháy. Nồng độ NO cũng phụ thuộc mạnh vào nồng độ oxi. Vì vậy trong
điều kiện nhiệt độ cao và nồng độ oxi lớn thì nồng độ NO trong sản phẩm cháy
cũng lớn.
Đối với động cơ Diesel, có đến 30% NOx dưới
dạng NO2. NO2 được hình thành từ NO và các chất trung
gian của sản vật cháy. Trong trường hợp NO2 sinh ra
trong ngọn lửa bị làm mát ngay bởi môi chất có nhiệt độ

Phân tử NO2


-9-

thấp thì sự phân giải NO2 thành NO bị khống chế, có nghĩa NO2 tiếp tục tồn tại
trong sản vật cháy. Khi động cơ Diesel làm việc ở chế độ tải thấp thì phản ứng
ngược biến đổi NO2 thành NO cũng bị khống chế bởi các vùng khơng khí có nhiệt
độ thấp.
NOx có thành phần cấu tạo gồm 97% đến 98% NO và 2% NO2. NO bản
thân là chất khí khơng màu nhưng khi kết hợp với oxi để hình thành NO2 thì nó lại
có màu hơi nâu. Khi NO2 kết hợp với hidrocarbon dưới tác động của ánh sáng mặt
trời sẽ gây nên hiện tượng quang hoá. NO2 là chất khí độc nhất trong họ NOx, vì
vậy việc tổ chức tốt quá trình cháy để giảm tốc độ phản ứng tạo thành và tăng tốc
độ phản ứng phân giải chất ơ nhiễm này có ý nghĩa quan trọng.
2.2. Các dạng buồng cháy trên động cơ Diesel phun trực tiếp
Buồng cháy động cơ Diesel là nơi hịa khí được hình thành và bốc cháy, gây

ảnh hưởng lớn tới các thông số về đặc tính của động cơ: Cơng suất, hiệu suất, độ
tin cậy của động cơ cũng như ô nhiễm mơi trường của khí xả.
Buồng cháy động cơ Diesel phun trực tiếp được phân loại theo đặc điểm cấu
tạo và theo ngun tắc hình thành hịa khí.[7]
Dựa theo đặc điểm cấu tạo, các dạng buồng cháy bao gồm:
 Buồng cháy thống nhất: Dạng đĩa nông, dạng ω nông,…
 Buồng cháy khoét lõm sâu đỉnh piston: dạng cầu, dạng ω, dạng lõm
sâu,…


- 10 -

Xốy lốc dịng khí

Xốy lốc dịng khí

Hình 2-5. Các hình dạng buồng cháy
Dựa theo nguyên tắc hình thành hịa khí, các dạng hình thành hịa khí bao
gồm:
 Hình thành hịa khí kiểu màng dựa trên kết quả phối hợp giữa dịng
chảy xốy lốc của mơi chất với màng nhiên liệu được tráng trên thành
buồng cháy (quá trình M).
 Hình thành hịa khí kiểu khơng gian là cách phun tơi nhiên liệu vào
không gian buồng cháy để các hạt nhiên liệu được sấy nóng, bay hơi
và hịa trộn đều với khơng khí.
2.3. Các thơng số hình học của buồng cháy
Hình dạng, kích thước, đường kính miệng của phần kht lõm (hình) có tác
dụng lớn tới cường độ dịng xốy hướng kính, qua đó cải thiện điều kiện hình
thành hịa khí và điều kiện cháy. Cường độ dịng xốy hướng kính tỉ lệ thuận với
(D1/D3)2 (D1 – đường kính xy-lanh, D3 – đường kính miệng phần khoét lõm). D3

càng nhỏ dịng xốy càng mạnh nhưng sẽ làm chiều sâu H của phần khoét lõm
càng lớn. Thông thường, D3 = (0.35 ÷ 0.65) D1. D3/H = 2:1 ÷ 4:1.[8]


- 11 -

Hình 2-6. Các thơng số hình học của buồng cháy
D1,D2,D3: Đường kính xy lanh, đường kính buồng cháy, miệng buồng cháy
R1,R2,R3: Bán kính cong biên dạng buồng cháy
H,H1: Độ sâu buồng cháy
RS1,Rs2: Các thông số điều chỉnh

Ở tải lớn, ứng suất nhiệt tại miệng phần khoét lõm (R3) thường lớn, muốn
giảm ứng suất nhiệt kể trên cần phải làm cho vách phần khoét lõm thẳng đứng.
Theo các nhà sản xuất (thí dụ: Ricardo,…), chỉ cần phối hợp tốt giữa đặc tính tia
phun, dịng xốy khí nạp với hình dạng buồng cháy, cịn hình dạng đáy phần kht
lõm khơng gây ảnh hưởng gì tới tính năng của động cơ. Vì vậy, khi thay đổi hình
dạng buồng cháy để đánh giá tác động của các thơng số hình học đến cơng suất và
khí thải, tác giả chỉ thay đổi các thơng số hình học cơ bản có ảnh hưởng trực tiếp
như hình bên dưới [6].
Trụcxy
xylanh
lanh
Trục

Độ sâu buồng cháy
Đường kính đáy buồng cháy
Đường kính buồng cháy
Các điểm kiểm sốt hình dạng

Vách
Váchxy
xylanh
lanh

Hình 2-7. Các thơng số hình học cơ bản của buồng cháy