Đánh giá công suất và khí thải của động cơ kubota rt125 dùng nhiên liệu biodiesel điều chế tứ hạt cao su bằng phương pháp mô phỏng

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

NGUYỄN QUANG TRÃI

ĐÁNH GIÁ CƠNG SUẤT VÀ KHÍ THẢI CỦA ĐỘNG CƠ
KUBOTA RT125 DÙNG NHIÊN LIỆU BIODIESEL ĐIỀU CHẾ TỪ
HẠT CAO SU BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Khí Động Lực
Mã số: 60520116

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2017


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. Nguyễn Ngọc Linh
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. Phạm Tuấn Anh
(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 22 tháng 07 năm 2017
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. CT PGS. TS. Huỳnh Thanh Công

2. PB1 TS. Nguyễn Ngọc Linh
3. PB2 TS. Phạm Tuấn Anh
4. UV TS. Nguyễn Chí Thanh
5. TK TS. Trần Hữu Nhân
Xác nhận của chủ tịch hội đồng đánh giá luận văn 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 NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

__________________________

____________________________

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN QUANG TRÃI

MSHV: 7140924

Ngày, tháng, năm sinh: 09/09/1990

Nơi sinh: Daklak

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực

Mã số: 60520116

I. TÊN ĐỀ TÀI: “Đánh giá cơng suất và khí thải của động cơ KUBOTA RT125 dùng
nhiên liệu Biodiesel điều chế từ hạt cao su bằng phương pháp mô phỏng”.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu ảnh hưởng tính chất của dầu biodiesel đến đặc tính
khí thải và q trình cháy trong động cơ tại Việt Nam và trên Thế Giới.
2. Thiết lập mô phỏng quá trình cháy của động cơ Kubota RT125 DI.
3. Tiến hành mơ phỏng q trình cháy của động cơ Kubota RT125 DI với các loại nhiên
liệu DO, B5, B10, B20 tại các tốc độ động cơ 1600v/p, 2000 v/p, 2400 v/p với các chế
độ tải 50%, 80%, 100% để đánh giá cơng suất và khí thải.
4. Kết luận và hướng phát triển
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 04/07/2016
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 22/07/2017
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên ):
TS. NGUYỄN LÊ DUY KHẢI
Tp. HCM, ngày 22 tháng 07 năm 2017
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 Quý Thầy, Cô, các bạn học 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 và tận tình hướng dẫn, giúp đơc em trong suốt thời gian thực hiện luận văn.
Em xin cảm ơn Thầy TS. Phạm Tuấn Anh và Th.S Nguyễn Hồng Hải đã nhiệt tình
hướng dẫn, hỗ trợ cung cấp dữ liệu so sánh phục vụ cho công việc mô phỏng.
Em xin chân thành cảm ơn Quý Thầy, Cô trong khoa đã trang bị cho em
những kiến thức cần thiết thông qua các môn học trước khi thực hiện luận văn.
Cuối cùng, em chân thành cảm ơn 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 Quang Trãi


ii

TĨM TẮT
Luận văn này nghiên cứu cơng suất và khí thải của động cơ KUBOTA RT125
khi sử dụng nhiên liệu Biodiesel thông qua phương pháp mô phỏng bằng phần mềm
KIVA. Nhiên liệu được sử dụng trong mô phỏng là nhiên liệu Diesel DO, Biodiesel
B5, Biodiesel B10, Biodiesel B20. Thực hiện mơ phỏng tại các số vịng quay động cơ

1600v/p, 2000v/p, 2400v/p tương ứng với các chế độ tải 50%, 80% và 100%.
Kết quả thu được là các thông số về cơng suất và khí thải trong từng trường hợp. Qua
mơ phỏng cho thấy nhiên liệu Biodiesel cho công suất tương đương so với nhiên liệu
Diesel. Trong khi đó, lượng Soot có trong khí thải khi sử dụng nhiên liệu Biodiesel
được giảm đáng kể. Đây cũng là một điểm cần lưu ý để xây dựng hướng nghiên cứu
sao cho vừa tăng được công suất động cơ khi sử dụng nhiên liệu Biodiedel, vừa phát
huy được tính năng ưu việt về phát thải soot, góp phần làm giảm ơ nhiễm mơi trường.

ABSTRACT
This thesis presents a study on power and exhaust of KUBOTA RT125 engine
used Biodiesel fuel by simulating method with KIVA software. The simulating used
Diesel fuel, Biodiesel fuel in B5, B10 and B20. The simulation was performed at
engine speed 1600 rpm, 2000 rpm, 2400 rpm and 50%, 80%, 100% of load.
The result showed that power of engine used Biodiesel fuel was similar to the case of
Diesel fuel. Meanwhile, the quantity of Soot was reduced quite much. This should be
studied to find the way how to increase power when Biodiesel was used but improve
the avantage in term of soot, prevent environmential polution.


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 tôi thực hiện tại trường Đại học Bách Khoa Thành
Phố Hồ Chí Minh.
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 hồn tồn trách nhiệm
trước nhà trường và pháp luật.
TP.Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 07 năm 2017

Học viên cam đoan

Nguyễn Quang Trãi


i

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ......................................................................................... 1
1.1 Đặt vấn đề ...................................................................................................... 1
1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................. 4
1.3 Mục tiêu đề tài ............................................................................................... 5
1.4 Nội dung nghiên cứu ..................................................................................... 5
1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ....................................................................... 6
1.6 Phương pháp nghiên cứu ............................................................................... 6
1.6 Tóm tắt nội dung ........................................................................................... 8
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................. 9
2.1 Giới thiệu chung .......................................................................................... 9
2.2 Quá trình cháy động cơ Diesel ................................................................... 9
2.2.1 Giai đoạn cháy trễ............................................................................10
2.2.2 Giai đoạn cháy hòa trộn trước .........................................................13
2.2.3 Giai đoạn cháy khuếch tán ..............................................................13
2.2.4 Giai đoạn cháy rớt ...........................................................................14
2.3 Sự hình thành khí thải trong động cơ Diesel .......................................... 14
2.3.1 Sự hình thành hydrocacbon (HC)....................................................15
2.3.2 Sự hình thành cacbon monoxit (CO)...............................................16
2.3.3 Sự hình thành nitơ ơxít (NOx) ........................................................16
2.3.4 Sự hình thành bồ hóng ....................................................................21
2.4 Phần mềm mô phỏng KIVA .....................................................................24

ii

2.4.1 Giới thiệu phần mềm KIVA ............................................................24
2.4.2 Các phương trình cơ bản sử dụng trong phần mềm KIVA .............24
CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ...................................... 26
3.1 Các bước mô phỏng ..................................................................................26
3.1.1 Mô tả vấn đề ....................................................................................26
3.1.2 Giai đoạn tiền xử lý .........................................................................27
3.1.3 Giai đoạn xử lý thông tin.................................................................29
3.2 Phân tích đánh giá kết quả mơ phỏng .....................................................32
3.1.1 Áp suất buồng cháy .........................................................................32
3.1.2 Nhiệt độ bên trong buồng cháy .......................................................38
3.1.3 Công suất động cơ ...........................................................................43
3.1.4 Phát thải NOx ..................................................................................45
3.1.5 Phát thải Soot...................................................................................47
CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.......................................... 49
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 51


iii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Diện tích và sản lượng cao sư tại Việt Nam tính đến năm 2015l .................... 3
Hình 1.2 - Động cơ Kubota RT125 DI ........................................................................... 4
Hình 2.1 - Sự thay đổi áp suất, độ nâng kim, áp suất nhiên liệu và tốc độ tỏa nhiệt
theo góc quay trục khuỷu động cơ. ................................................................................. 9
Hình 2.2 - Nồng độ khí thải động cơ Diesel................................................................. 15
Hình 2.3 - Phân bố độ đậm đặc trong tia phun Diesel.................................................. 16

Hình 2.4 - Ảnh hưởng độ đậm đặc trung bình đến nồng độ NOx phát thải ................. 19
Hình 2.5 – Thành phần bồ hóng ................................................................................... 22
Hình 3.1 - Các mơ hình tạo lưới cơ bản. ....................................................................... 27
Hình 3.2 - Tổng thể buồng cháy động cơ Kubota RT 125. ............................................ 28
Hình 3.3 - Tổng thể buồng cháy động cơ Kubota RT 125 nhìn theo phương ngang ...... 28
Hình 3.4 - Buồng cháy động cơ Kubota RT125 tại 11o BTDC...................................... 29
Hình 3.5 - Đường cong áp suất không cháy monitoring mô phỏng và thực nghiệm. .. 30
Hình 3.6 - So sánh đường cong áp suất buồng cháy khi sử dụng nhiên liệu DO......... 30
Hình 3.7 - Phân bố nhiệt độ bên trong Buồng cháy động cơ Kubota RT125 tại TDC. 31
Hình 3.8 - Sự hình thành NOx bên trong Buồng cháy động cơ Kubota RT125 tại
TDC. .............................................................................................................................. 31
Hình 3.9 - Sự hình thành Soot trong Buồng cháy động cơ Kubota RT125 tại TDC. .. 32
Hình 3.10 – Áp suất buồng cháy khi sử dụng nhiên liệu DO ở các chế độ tải và tốc độ
động cơ khác nhau. ........................................................................................................ 33


iv

Hình 3.11 – Áp suất buồng cháy khi sử dụng nhiên liệu B5 ở các chế độ tải và tốc độ
động cơ khác nhau. ........................................................................................................ 34
Hình 3.12 – Áp suất buồng cháy khi sử dụng nhiên liệu B10 ở các chế độ tải và tốc
độ động cơ khác nhau..................................................................................................... 34
Hình 3.13 - Áp suất buồng cháy khi sử dụng nhiên liệu B20 ở các chế độ tải và tốc độ
động cơ khác nhau. ........................................................................................................ 35
Hình 3.14- Áp suất buồng cháy tại tốc độ động cơ 2400 v/p với mức tải 100%, sử
dụng nhiên liệu DO hoặc B20. ....................................................................................... 36
Hình 3.15- So sánh áp suất buồng cháy tại tốc độ động cơ 1600 v/p khi sử dụng nhiên
liệu DO, B5, B10, B20 ở các chế độ tải 50%, 80%, 100%. ............................................ 36
Hình 3.16 - So sánh áp suất buồng cháy tại tốc độ động cơ 2000 v/p khi sử dụng
nhiên liệu DO, B5, B10, B20 ở các chế độ tải 50%, 80%, 100%.................................... 37

Hình 3.17 - So sánh áp suất buồng cháy tại tốc độ động cơ 2400 v/p khi sử dụng
nhiên liệu DO, B5, B10, B20 ở các chế độ tải 50%, 80%, 100%.................................... 37
Hình 3.18 - Nhiệt độ buồng cháy khi sử dụng nhiên liệu DO ở các chế độ tải và tốc
độ động cơ khác nhau..................................................................................................... 38
Hình 3.19 - Nhiệt độ buồng cháy khi sử dụng nhiên liệu B5 ở các chế độ tải và tốc độ
động cơ khác nhau. ........................................................................................................ 39
Hình 3.20 - Nhiệt độ buồng cháy khi sử dụng nhiên liệu B10 ở các chế độ tải và tốc
độ động cơ khác nhau .................................................................................................... 39
Hình 3.21 - Nhiệt độ buồng cháy khi sử dụng nhiên liệu B20 ở các chế độ tải và tốc
độ động cơ khác nhau..................................................................................................... 40
Hình 3.22 - Nhiệt độ buồng cháy tại tốc độ động cơ 2400 v/p với mức tải 100%, sử
dụng nhiên liệu DO hoặc B20. ....................................................................................... 41


v

Hình 3.23 - So sánh nhiệt độ buồng cháy tại tốc độ động cơ 1600 v/p khi sử dụng
nhiên liệu DO, B5, B10, B20 ở các chế độ tải 50%, 80%, 100%.................................... 41
Hình 3.24 - So sánh nhiệt độ buồng cháy tại tốc độ động cơ 2000 v/p khi sử dụng
nhiên liệu DO, B5, B10, B20 ở các chế độ tải 50%, 80%, 100%.................................... 42
Hình 3.25 - So sánh nhiệt độ buồng cháy tại tốc độ động cơ 2400 v/p khi sử dụng
nhiên liệu DO, B5, B10, B20 ở các chế độ tải 50%, 80%, 100%.................................... 42
Hình 3.26 - So sánh công suất động cơ ở tốc độ 1600 v/p khi sử dụng nhiên liệu DO,
B5, B10, B20 ở các chế độ tải 50%, 80%, 100%. ........................................................... 43
Hình 3.27 - So sánh công suất động cơ ở tốc độ 2000 v/p khi sử dụng nhiên liệu DO,
B5, B10, B20 ở các chế độ tải 50%, 80%, 100%. ........................................................... 44
Hình 3.28 - So sánh công suất động cơ ở tốc độ 2400 v/p khi sử dụng nhiên liệu DO,
B5, B10, B20 ở các chế độ tải 50%, 80%, 100%. ........................................................... 44
Hình 3.29 - So sánh phát thải NOx của động cơ ở tốc độ 1600 v/p khi sử dụng nhiên
liệu DO, B5, B10, B20 ở các chế độ tải 50%, 80%, 100%. ............................................ 45

Hình 3.30 - So sánh phát thải NOx của động cơ ở tốc độ 2000 v/p khi sử dụng nhiên
liệu DO, B5, B10, B20 ở các chế độ tải 50%, 80%, 100%. ............................................ 46
Hình 3.31 - So sánh phát thải NOx của động cơ ở tốc độ 2400 v/p khi sử dụng nhiên
liệu DO, B5, B10, B20 ở các chế độ tải 50%, 80%, 100%. ............................................ 46
Hình 3.32 - So sánh phát thải Soot của động cơ ở tốc độ 1600 v/p khi sử dụng nhiên
liệu DO, B5, B10, B20 ở các chế độ tải 50%, 80%, 100%. ............................................ 47
Hình 3.33 - So sánh phát thải Soot của động cơ ở tốc độ 1600 v/p khi sử dụng nhiên
liệu DO, B5, B10, B20 ở các chế độ tải 50%, 80%, 100%. ............................................ 48
Hình 3.34 - So sánh phát thải Soot của động cơ ở tốc độ 1600 v/p khi sử dụng nhiên
liệu DO, B5, B10, B20 ở các chế độ tải 50%, 80%, 100%.. ........................................... 48


1

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1 Đặt vấn đề
Hiện nay, ngành công nghiệp vẫn đang đóng một vai trị quan trọng
trong tiến trình phát triển của nhân loại. Hàng loạt các công cụ, máy móc
được nghiên cứu phát triển và ứng dụng vào thực tế sản xuất. Song song với
đó là nhu cầu và mối lo về an ninh năng lượng và ô nhiễm môi trường. Các
nền kinh tế lớn và đa số nền kinh tế nhỏ trên thế giới đang phụ thuộc nặng
nề vào nguồn năng lượng đến từ nhiên liệu hóa thạch. So với 20 năm trước,
lượng dầu mỏ, khí đốt và than đá được khai thác hàng năm đã tăng lên 45%,
và khoảng 80% nguồn cung cấp năng lượng chính của thế giới được cung
cấp bởi nhiên liệu hóa thạch [1]. Theo sự báo, đến năm 2040, lượng năng
lượng sử dụng hàng năm của toàn thế giới sẽ tăng khoảng 33%, trong đó
được tiêu thụ chủ yếu bởi Ấn Độ, Trung Quốc, Châu Phi, Trung Đông và
Đông Nam Á, trong đó có Việt Nam [2].
Việc phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch đã và đang gây nên

những vấn đề như: cạn kiệt nguồn năng lượng, gây ô nhiễm môi trường, ảnh
hưởng đến sức khỏe con người và tác động tiêu cực đến vấn đề an ninh,
chính trị nhiều khu vực trên thế giới. Để đối mặt với tình hình trên, các quốc
gia đang đẩy mạnh việc tìm kiếm và khai thác sử dụng các nguồn năng
lượng tái tạo. Đối với động cơ đốt trong, việc sử dụng các loại nhiên liệu
sinh học như bioDiesel, biogasoline và biogas đang được các nước tập trung
đầu tư phát triển . Việc sử dụng nhiên liệu tái tạo khơng những góp phần
giải quyết mối lo an ninh năng lượng, mà cịn góp phần giảm thiểu ô nhiễm
môi trường. Tại Việt Nam, Quyết định số 177/2007/QĐ-TTg ban hành ngày
20/11/2007 của thủ tướng chính phủ phê duyệt Đề án phát triển nhiên liệu
sinh học quốc gia của Việt Nam đến năm 2015 tầm nhìn đến 2025 [3]. Trong


2

đó, đối với nhiên liệu sinh học đạt 100 nghìn tấn xăng E5 và 50 nghìn tấn
dầu B5 vào năm 2010 tương đương với 0,4% tổng nhu cầu xăng dầu dự kiến
của cả nước. Tiếp theo đó, Quyết định số 1855/QD- TTg ban hành ngày
27/12/2007 của thủ tướng chính phủ phê duyệt chiến lược phát triển Năng
lượng quốc gia của Việt Nam đến năm 2020 tầm nhìn đến 2050, phấn đấu tăng
tỉ lệ các nguồn năng lượng mới và tái tạo lên khoảng 3% tổng năng lượng thương
mại sơ cấp vào năm 2010, khoảng 5% vào năm 2020 và 11% vào năm 2050 [4].
Từ ngày 01/12/2017, xăng được sản xuất phối chế kinh doanh sử dụng cho
các phương tiện cơ giới đường bộ tiêu thụ trên toàn quốc là xăng E10. Từ
nay cho đến thời điểm đó, khuyến khích các tổ chức, cá nhân sản xuất, phối
chế và kinh doanh các loại xăng E5, E10 và Diesel B5, B10 [4].
BioDiesel Fuel (BDF) – nhiên liệu Diesel sinh học là một dạng năng
lượng tái tạo có nguồn gốc từ dầu thực vật hay mỡ động vật. Người ta tùy
thuộc vào vị trí địa lý, khí hậu cũng như khả năng khai thác nguồn ngun
liệu có sẵn để tìm kiếm giải pháp năng lượng thay thế phù hợp với từng

quốc gia, từng khu vực. Nghiên cứu về nhiên liệu Diesel sinh học là một
trong những hướng nghiên cứu chính hiện nay của các nước trên thế giới.
Tại Mỹ dầu đậu nành được tập trung nghiên cứu để sản xuất nhiên liệu
bioDiesel, tại Châu Âu tập trung vào hạt cải dầu; trong khi đó khu vực Đơng
Nam Á thì tập trung vào các cây dầu cọ, dầu dừa, dầu đậu nành, dầu cây cọc
rào… và gần đây là dầu từ hạt cao su.
Cây cao su có tên khoa học là Hévéa brasiliensis thuộc họ
Euphorbiaceae (họ Thầu Dầu) gồm rất nhiều cây có mủ dưới dạng cây đại
mộc, cây bụi nhỏ và cây cỏ sống ở vùng nhiệt đới và ôn đới. Về phương
diện thực vật học, đặc điểm chung của họ Euphorbiaceae là có hoa đơn tính,
quả gồm có ba nang, khi chín tự động nứt để tung hạt ra ngoài.
Cây cao su trưởng thành (6 –7 năm tuổi trở lên) hàng năm cho khối
lượng hạt từ 200–300 kg/ha, cá biệt tới 500 kg/ha.năm. Mỗi năm hạt cao su
rụng 2 lần: vụ chính từ tháng 7 – 9 dương lịch và vụ phụ vào tháng 10 –
11 dương lịch. Theo thống kê của Hiệp Hội cao su Việt Nam, diện tích


3

đất trồng cao su của nước ta năm 2015 vào khoảng 981.000 hecta, trong
đó 600.000 hecta đang cho thu hoạch với sản lượng 1.017.000 tấn. Theo
thống kê cuối năm 2016, Việt Nam đang đứng thứ 3 trên thế giới về sản
lượng cao su. Với sản lượng này, hiện tại tương ứng mỗi năm trên cả
nước sẽ có khoảng 180.000 tấn hạt cao su. Nhân hạt cao su chứa hàm
lượng dầu khá cao (trên 40%), nếu biết tận dụng khai thác và sử dụng thì
sẽ đem lại giá trị kinh tế đáng kể.

Hình 1.1- Diện tích và sản lượng cao su tại Việt Nam tính đến năm
2015.
Hiện tại, đã và đang có nhiều chương trình có quy mơ nghiên cứu về

khả năng ứng dụng chế biến BDF từ dầu hạt cao su của Đại Học Quốc Gia
TP Hồ Chí Minh, Viện Nghiên Cứu Cao Su Việt Nam. Kết quả bước đầu
cho thấy hạt cao su thu hoạch tại Việt Nam, đặc biệt là các tỉnh Đông Nam
Bộ được đánh giá là nguồn nguyên liệu tiềm năng phục vụ cho công nghệ
sản xuất BDF. Tại Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, đề tài “Nghiên cứu
đặc tính q trình cháy động cơ Diesel 01 xylanh phun trực tiếp sử dụng
nhiên liệu biodiesel sản xuất bằng phương pháp siêu tới hạn” đã thu nhận
được kết quả tích cực về khả năng ứng dụng của nhiên liệu BDF chiết xuất
từ hạt cao su.


4

1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Động cơ được mô phỏng là động cơ Kubota 01 xylanh RT125 DI sử
dụng nhiên liệu BioDiesel chiết xuất từ dầu hạt cao su [6].

Hình 1.2 - Động cơ Kubota RT125 DI.
Động cơ Kubota được sản xuất tại Thái lan theo công nghệ của Nhật
Bản. Động cơ này đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như
nông nghiệp, xây dựng, phát điện…Sau đây là một số thông số kỹ thuật của
động cơ Kubota RT125 DI:
Động cơ

KUBOTA RT125 DI

Kiểu

Diesel, Phun trực tiếp, 4 kỳ

Số lượng xy lanh

1 (Ngang)

Số kỳ

4

Hệ thống làm mát

Bộ tản nhiệt

Đường kính x Hành trình (mm)

94 x 96

Dung tích (lít)

0,666

Kiểu nạp

Hút khí tự nhiên

Tỉ số nén

18:1

Hệ thống xupap

2 xupap

Số lỗ phun

4 lỗ

Áp suất phun (bar)

220

Thời điểm phun

14o ATDC


5

Công suất Max (kW/v/p)

9,2/2400

Công suất định mức (kW/v/p)

8,1/2400

Trọng lượng (kg)

114

Bảng 1.1 – Thông sô động cơ Kubota RT125 DI.

Nhiên liệu thí nghiệm [8] bao gồm:
DO: nhiên liệu diesel thương phẩm trên thị trường Việt Nam;
B5: hỗn hợp thể tích nhiên liệu 5% biodiesel và 95% diesel;
B10: hỗn hợp thể tích nhiên liệu 10% biodiesel và 90% diesel;
B20: hỗn hợp thể tích nhiên liệu 20% biodiesel và 80% diesel;
Nhiên liệu biodiesel được tổng hợp tại Khoa Hóa trường Đại Học Bách
Khoa TP Hồ Chí Minh và được pha trộn tại Phịng thí nghiệm trọng điểm
Động cơ đốt trong, trường Đại học Bách khoa TP HCM. Các mẫu nhiên liệu
phối trộn được gửi đi thử nghiệm Trung tâm Kiểm định Đo lường Chất
lượng 3 (Trung tâm 3).
Một số số tính chất cơ bản của các loại nhiên liệu thử nghiệm như sau:
Thông số

DO

B5

B10

B20

Khối lượng riêng tại 30oC (g/cm3)

0.808

0.812

0.815

0.822

Độ nhớt động học tại 40 oC (mm2/s)

2.745

3.030

3.089

3.28

Trị số cetan

53.8

53.42

53.23

53.04

Nhiệt lượng (MJ/kg)

47.78

45.45

44.65

43.14

Bảng 1.2 – Thông sô nhiên liệu Biodiesel được sử dụng trong mô phỏng.
1.3 Mục tiêu đề tài
Đề tài tập trung đánh giá tính năng công suất và phát thải của động
cơ Diesel KUBOTA RT125 DI Sử dụng nhiên liệu BioDiesel từ dầu hạt cao
su so với khi dùng nhiên liệu Diesel truyền thống.
1.4 Nội dung nghiên cứu
Thông qua phần mềm mô phỏng CFD KIVA, đánh giá tính năng cơng


6

suất và phát thải của động cơ RT125DI tại các điều kiện sau:
 Số vòng quay động cơ: 1600 v/p, 2000 v/p và 2400 v/p.
 Chế độ tải động cơ: 50%, 80% và 100%.
 Sử dụng nhiên liệu Diesel và Biodisel điều chế từ hạt cây cao su: DO,
B5, B10, B20
Thông qua mô phỏng công suất và phát thải của động cơ tại các điều
kiện về số vòng quay, chế độ tải và sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau sẽ
cho ta một kết quả toàn diện và tin cậy.
1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
Ý nghĩa khoa học: cung cấp một dữ liệu tham khảo có độ chính xác và
tin cậy tốt về các thơng số, tính năng liên quan đến công suất và phát thải của
động cơ RT125 DI sử dụng nhiên liệu BioDiesel điều chế từ hạt cây cao su.
Thông qua kết quả mô phỏng bằng phần mềm KIVA, kết hợp với các kết quả
từ thực nghiệm để lựa chọn tỷ lệ hòa trộn tối ưu nhất để đưa vào áp dụng
thực tế.
Ý nghĩa thực tiễn: cung cấp thêm căn cứ khoa học chứng minh khả
năng ứng dụng của dầu hạt cao su trong sản xuất BioDiesel, góp phần đẩy
nhanh tiến độ đưa nguồn nguyên liệu này vào trong thực tế sản xuất nhằm

tránh lãng phí và tăng thêm thu nhập cho người nơng dân, góp phần giải
quyết vấn đề việc làm và giảm phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch.
1.6 Phương pháp nghiên cứu
1.6.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết và tổng hợp tài liệu
Tìm hiều và nắm được lý thuyết về quá trình cháy của động cơ Diesel
và các phương trình được áp dụng trong phần mềm KIVA.
Lý thuyết hình thành các thành phần trong khí thải động cơ đốt trong.
Thu thập và chọn lọc từ những bài báo, nghiên cứu khoa học trong và
ngồi nước có liên quan đến đề tài luận văn như tình hình sử dụng, quá trình
sản xuất, ứng dụng và những đánh giá về tính năng cơng suất, phát thải của


7

nhiên liệu sinh học.
Đọc các tài liệu liên quan đến động cơ KUBOTA RT125DI, và các tài
liệu liên quan đến phần mềm mơ phỏng KIVA để chọn lựa chính xác những
thông số đầu vào cần thiết, cũng như để kiểm tra đánh giá các kết quả sau
mô phỏng.
Tham khảo và sử dụng một số cơ sở dữ liệu trong đề tài “Nghiên cứu
đặc tính q trình cháy động cơ Diesel 01 xylanh phun trực tiếp sử dụng
nhiên liệu biodiesel sản xuất bằng phương pháp siêu tới hạn” của Thạc sỹ
Nguyễn Hồng Hải, và để tài “Nghiên cứu quá trình cháy động cơ diesel sử
dụng nhiên liệu biodiesel từ dầu hạt cao su” của Thạc sỹ Nguyễn Vĩnh
Thanh, thực hiện tại Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh.
1.6.2 Phương pháp Mô phỏng
Sử dụng phần mềm mô phỏng CFD-3D KIVA để xây dựng mơ hình và
thực hiện mơ phỏng tính năng cơng suất và phát thải của động cơ Diesel 01
xylanh KUBOTA RT125DI sử dụng 04 loại nhiên liệu đã nêu tại phần nội
dung nghiên cứu, bao gồm: B0, B5, B10, B20. Việc mô phỏng được tiến

hành tại các số vòng quay động cơ khác nhau bao gồm 1600 v/p, 2000 v/p
và 2400 v/p với các chế độ tải thay đổi từ thấp đến cao, nhằm thu được
một kết quả tồn diện và tin cậy.
1.6.3 Phương pháp phân tích đánh giá.
Tiến hành mơ phỏng q trình cháy của động cơ tại nhiều chế độ, điều
kiện khác nhau, từ kết quả thu được sẽ tiến hành phân tích để đưa ra nhận xét
đánh giá phù hợp.
1.6.4 Phương pháp kết luận.
Qua mỗi lần mô phỏng, ghi nhận và đánh giá sơ bộ kết quả, sau khi
tổng hợp tất cả các kết quả sẽ tiến hành đánh giá chung và cho ra kết luận
sau cùng.


8

1.7 Tóm tắt nội dung.
Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu
BDF để đánh giá tính năng cơng suất và phát thải của động cơ sử dụng
nhiên liệu BDF. Luận văn được chia làm 04 chương:
Chương 1 trình bày mục tiêu, đối tượng, phương pháp và nội dung
nghiên cứu của đề tài “Đánh giá cơng suất và khí thải động cơ Kubota
RT125 DI dùng nhiên liệu Biodiesel điều chế từ hạt cao su bằng phương
pháp mơ phỏng”.
Chương 2 trình bày lý thuyết về q trình cháy động cơ Diesel, các
yếu tố ảnh hưởng đến cơng suất và sự hình thành khí thải. Bên cạnh đó là
phần giới thiệu cơ bản về phần mềm KIVA.
Chương 3 trình bày các quá trình chuẩn bị và thực hiện mơ phỏng
q trình cháy của động cơ Kubota RT125 DI, sau đó phân tích thảo luận về
kết quả thu được.
Chương 4 trình bày nội dung đúc kết từ kết quả mô phỏng, nêu ra

các hạn chế cần khắc phục cũng như hướng phát triển tiếp của đề tài.


9

CHƯƠNG

2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Giới thiệu chung
Đề tài này nghiên cứu đặc tính cơng suất và phát thải trong q trình
cháy của động cơ Diesel sử dụng nhiên liệu BioDiesel được tổng hợp từ dầu
hạt cao su. Mục tiêu của chương này là trình bày lý thuyết về quá trình cháy,
sự hình thành khí thải của động cơ Diesel, phần mềm KIVA và các phương
trình cơ bản được sử dụng làm cơ sở lý thuyết trong phần mềm KIVA.
2.2. Quá trình cháy động cơ Diesel
Hình 2.1a minh họa sự thay đổi áp suất buồng cháy, độ nâng kim
phun và áp suất nhiên liệu theo góc quay trục khuỷu. Hình 2.1b thể hiện 04
giai đoạn của quá trình cháy động cơ Diesel dựa trên tốc độ tỏa nhiệt theo
góc quay trục khuỷu.

a)

b)

Hình 2.1- Sự thay đổi áp suất, độ nâng kim, áp suất nhiên liệu và tốc độ tỏa
nhiệt theo góc quay trục khuỷu động cơ.

10

2.2.1 Giai đoạn cháy trễ
Là giai đoạn chuẩn bị các trung tâm tự cháy đầu tiên được xác định từ
lúc bắt đầu phun nhiên liệu cho đến khi đường áp suất do cháy tách khỏi
đường áp suất do nén. Khi nhiên liệu phun vào buồng cháy, nhờ chuyển
động xoáy lốc khơng khí trong xy lanh để xé nhỏ và trộn đều nhiên liệu với
khơng khí, nhiên liệu bắt đầu bốc hơi. Giai đoạn này áp suất tăng lên rất
chậm do mất nhiệt vì quá trình bay hơi nhiên liệu. Những trung tâm cháy đầu
tiên được hình thành với tốc độ cháy nhỏ. Do đó nhiệt độ và áp suất trong
xy lanh tăng lên chậm. Lượng nhiên liệu phun vào trong giai đoạn này
chiếm khoảng 3040% lượng nhiên liệu cung cấp cho tồn bộ chu trình. Rất
nhiều nguồn lửa được hình thành cùng một lúc ở những nơi có hệ số dư
lượng khơng khí  thích hợp (= 0,8  0,9), những nơi đó là vỏ của chùm
tia nhiên liệu.
Giai đoạn cháy trễ được khống chế bởi các phản ứng cháy dự bị của
nhiên liệu. Vì hỗn hợp trong động cơ Diesel khơng đồng nhất nên q trình
tự bén lửa của nó phức tạp hơn nhiều so với động cơ xăng. Dù rằng sự bén
lửa diễn ra ở khu vực pha khí nhưng các phản ứng oxy hóa cũng có thể tiến
hành ở pha lỏng giữa hạt nhiên liệu và oxygen khuếch tán vào hạt. Trong
quá trình cháy cũng đồng thời diễn ra quá trình cracking biến những phân tử
hydrocarbon nặng thành những phân tử hydrocarbon nhẹ hơn.
Trình tự cháy của nhiên liệu ảnh hưởng lớn đến thời kỳ cháy trễ và
được đánh giá bằng chỉ số cetane. Chỉ số cetane được xác định bằng cách so
sánh thời kỳ cháy trễ của nhiên liệu với hỗn hợp nhiên liệu chuẩn trong
động cơ thí nghiệm đặc biệt. Đối với những nhiên liệu có chỉ số cetane bé,
thời kỳ cháy trễ kéo dài do vậy phần lớn nhiên liệu của chu trình được phun
vào động cơ trước khi bén lửa làm tăng tốc độ cháy ban đầu và áp suất cực
đại của chu trình.
Khi thời kỳ cháy trễ kéo dài, sự tự cháy của một bộ phận lớn nhiên

liệu ban đầu tạo ra tiếng gõ máy, thường được gọi là "tiếng gõ Diesel". Đối


11

với nhiên liệu có chỉ số cetane quá thấp, thời kỳ cháy trễ kéo dài, sự bén lửa
có thể diễn ra rất chậm trên đường giãn nở, làm giảm hệ số lợi dụng nhiệt
do đó làm giảm cơng suất và hiệu suất động cơ. Đối với những nhiên liệu có
chỉ số cetane cao, thời kỳ cháy trễ rút ngắn, sự bén lửa diễn ra trước khi
phần lớn nhiên liệu được phun vào. Tốc độ tỏa nhiệt và tốc độ tăng áp suất
được khống chế trước tiên bởi tốc độ phun và tốc độ hịa trộn nhiên liệu với
khơng khí do đó động cơ làm việc êm hơn.
Các yếu tố ảnh hưởng đến giai đoạn cháy trễ:
+ Thời điểm phun
Ở điều kiện làm việc bình thường của động cơ, thời kỳ cháy trễ ngắn
nhất khi góc phun sớm nằm trong khoảng 10o – 15o. Sự kéo dài thời kỳ cháy
trễ khi phun sớm hơn hay muộn hơn là do nhiệt độ và áp suất khơng khí
thay đổi rất mạnh ở gần điểm chết trên. Nếu phun quá sớm, nhiệt độ và áp
suất khơng khí cịn thấp nên thời kỳ cháy trễ kéo dài.
+ Lượng nhiên liệu
Đối với động cơ phun trực tiếp thời gian cháy trễ giảm gần như tuyến
tính khi tăng tải (tăng lượng nhiên liệu phun vào). Khi tải tăng nhiệt độ khí
sót và nhiệt độ thành buồng cháy cũng tăng làm nhiệt độ môi chất cao hơn
lúc bắt đầu phun nên thời gian cháy trễ giảm.
+ Kích thước hạt, tốc độ phun
Những đại lượng này được khống chế bởi áp suất phun, đường kính
và dạng lỗ phun… Thực nghiệm cho thấy tất cả những yếu tố này có ảnh
hưởng nhưng không đáng kể đến thời kỳ cháy trễ. Trong những điều kiện
vận hành bình thường sự gia tăng áp suất phun thì chỉ làm giảm một ít thời
gian cháy trễ. Tăng gấp đơi đường kính lỗ phun khi giữ áp suất phun không

đổi (để tăng lưu lượng phun (gấp 4 lần) và tăng đường kính hạt khoảng
30%) khơng có ảnh hưởng gì đáng kể đến kỳ cháy trễ. Nghiên cứu các dạng
lỗ phun khác nhau cho thấy tỉ số chiều dài/đường kính lỗ cũng như dạng vịi
phun (nhiều lỗ, có kim, có chốt) khơng gây ảnh hưởng gì quan trọng đến


12

thời kỳ cháy trễ trong những điều kiện vận hành bình thường của động cơ.
+ Ảnh hưởng của buồng cháy
Kết cấu buồng cháy sẽ quyết định chất lượng hình thành hỗn hợp, tạo
xốy lốc làm cho sự hồ trộn giữa nhiên liệu và khơng khí tốt, dẫn đến q
trình cháy tốt hơn. Sự tiếp xúc của tia nhiên liệu với thành buồng cháy gây
ảnh hưởng rõ rệt đến quá trình bay hơi và tạo hỗn hợp của nhiên liệu. Sự
tiếp xúc này diễn ra trong tất cả các động cơ cao tốc cỡ nhỏ. Với buồng
cháy M.A.N ("M") người ta cố ý làm cho tia nhiên liệu tráng lên thành
buồng cháy để không chế tốc độ tăng áp suất (động cơ làm việc êm).
+ Cường độ xoáy lốc
Thay đổi cường độ xốy lốc sẽ làm thay đổi q trình bốc hơi của
nhiên liệu và q trình hịa trộn nhiên liệu - khơng khí. Sự xốy lốc cũng
ảnh hưởng đến truyền nhiệt cho thành buồng cháy và vì vậy gây ảnh hưởng
đến nhiệt độ môi chất lúc bắt đầu phun. Ở chế độ làm việc bình thường của
động cơ, ảnh hưởng việc thay đổi cường độ xoáy lốc đến thời kỳ cháy trễ ít
quan trọng. Ở điều kiện khởi động (tốc độ và nhiệt độ môi chất trong xylanh
thấp) ảnh hưởng của xoáy lốc quan trọng hơn do tăng cường tốc độ bốc hơi
và hòa trộn khi nhiên liệu ở nhiệt độ thấp.
+ Ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu
Vì giai đoạn cháy trễ xảy ra cả quá trình vật lý và hóa học do đó cần
nghiên cứu ảnh hưởng của các tính chất hóa lý nhiên liệu đến q trình cháy
trễ. Các đặc tính hóa học của nhiên liệu giữ vai trị quan trọng hơn nhiều.

Tính chất bén lửa của nhiên liệu, đánh giá bằng chỉ số cetane, rõ ràng có ảnh
hưởng đến thời kỳ cháy trễ. Các chất parafin mạch thẳng (ankan thơng
dụng) có chất lượng đánh lửa tốt nhất, chất lựơng này càng tăng khi tăng
chiều dài mạch. Các chất aromatic có chất lượng đánh lửa kém.
Chỉ số cetane của nhiên liệu thay đổi tỷ lệ nghịch với chỉ số octane.
Chỉ số cetane của nhiên liệu thương mại nằm trong khoảng 40-55.


13

Chỉ số cetane của nhiên liệu được khống chế bởi tính chất của nhiên
liệu thơ, bằng q trình lọc dầu và bằng cách cho vào các phụ gia làm gia
tốc quá trình tự cháy. Cũng giống như việc giảm khuynh hướng kích nổ
trong động cơ đánh lửa cưỡng bức bằng cách thêm vào các chất phụ gia, đối
với nhiên liệu Diesel người ta cũng cho thêm các chất để cải thiện tính tự
cháy của nhiên liệu. Các chất gia tốc quá trình bén lửa gồm các peroxit hữu
cơ, nitrate, nitrite và hợp chất lưu huỳnh. Phổ biến nhất là các nitrate alkyl
(iso propyl nitrate, octyl nitrate…). Khi thêm 0.5% thể tích những chất này
vào nhiên liệu sẽ làm tăng chỉ số cetane của nhiên liệu lên 10 đơn vị.
2.2.2 Giai đoạn cháy hòa trộn trước
Là giai đoạn phát triển các trung tâm bốc cháy và lan tràn màng lửa.
Giai đoạn này kể từ khi đường áp suất do cháy tách khỏi đường áp suất do
nén cho đến khi áp suất trong xy lanh đạt giá trị cực đại. Quá trình cháy
trong giai đoạn này là sự tự bốc cháy trong tồn bộ thể tích buồng cháy ở
những nơi có thành phần hỗn hợp thích hợp = 0,8  0,9 và lan tràn màng
lửa trong những vùng hỗn hợp được chuẩn bị.
Trong giai đoạn này, phần lớn nhiên liệu phun vào trong giai đoạn
trước được bốc cháy vì đã được chuẩn bị và cả một phần nhiên liệu mới
phun vào ở giai đoạn cháy hòa trộn trước đã được bay hơi và trộn kịp thời
cũng được bốc cháy, nên tốc độ bốc cháy tăng lên rất nhanh, tốc độ tỏa

nhiệt lớn, nhiệt độ và áp suất tăng nhanh. Nhiệt lượng tỏa ra trong giai
đoạn này chiếm khoảng 1/3 nhiệt lượng cung cấp.
Tốc độ tăng trung bình của áp suất khơng những chỉ phụ thuộc vào
thời gian cháy trễ mà còn phụ thuộc vào việc cung cấp nhiên liệu nhanh
hay chậm, nhiều hay ít. Do đó thời gian cháy trễ ảnh hưởng rất lớn, nếu
phun nhiên liệu quá sớm động cơ làm việc sẽ không êm dịu.
2.2.3 Giai đoạn cháy khuếch tán
Được kể từ lúc áp suất trong xy lanh đạt giá trị cực đại cho đến lúc


14

nhiệt độ trong xy lanh đạt giá trị cực đại. Khí hỗn hợp cơng tác chủ yếu
được cháy trong giai đoạn này. Tốc độ giảm dần do nồng độ ôxy giảm.
Sản vật cháy tăng lên và nhiệt độ tỏa ra trong giai đoạn này là lớn nhất.
Nhiệt độ trong xy lanh vẫn tiếp tục tăng và áp suất bên trong xy lanh giảm,
vì sự tăng áp suất do cháy khơng bù lại sự giảm áp suất do piston đi xuống.
Giai đoạn cháy khuếch tán chiếm khoảng 4050% nhiên liệu. Sự tập trung
nhiên liệu và phản ứng xảy ra tốt trong q trình cháy có ý nghĩa quan
trọng vì khi đó tính êm dịu của động cơ được bảo đảm. Tuy nhiên không
thể tập trung quá nhiều nhiên liệu trong giai đoạn này vì khi đó nồng độ
ơxy giảm, sản vật cháy tăng lên, do đó q trình cháy này sẽ khó khăn hơn,
làm tăng cháy rớt. Đặc trưng cho giai đoạn này là nhiệt độ cực đại.
2.2.4 Giai đoạn cháy rớt
Là giai đoạn cháy phần hỗn hợp cơng tác cịn lại. Được kể từ khi
nhiệt độ trong xy lanh đạt giá trị cực đại cho đến khi kết thúc quá trình
cháy, nhiên liệu chưa cháy hết ở 3 giai đoạn trên sẽ cháy ở giai đoạn này.
Có thể xem điểm kết thúc quá trình cháy ứng với hệ số tỏa nhiệt khoảng
9597%.
Nhiên liệu cháy trong giai đoạn cháy rớt chiếm khoảng 1020%. Tốc

độ cháy ở giai đoạn này rất chậm do thiếu ôxi, quá nhiều sản vật cháy làm
cho nhiệt độ và áp suất giảm xuống. Như vậy, khống chế được giai đoạn
cháy rớt càng nhiều càng tốt, vì cháy rớt càng dài sẽ ảnh hưởng đến sự tăng
của nhiệt độ khí thải, tổn thất nhiệt cho nước làm mát tăng, phụ tải nhiệt cho
các chi tiết lớn. Kết quả là tính kinh tế của động cơ giảm. Để rút ngắn thời
gian cháy rớt phải hồn thiện q trình hình thành khí hỗn hợp bằng cách
tăng cường vận động xốy lốc, rút ngắn hoặc không cung cấp nhiên liệu ở
giai đoạn cháy chính.
2.3 Sự hình thành khí thải trong động cơ Diesel
Hình 2.2 mơ tả xu hướng thay đổi lượng khí phát thải từ động cơ
Diesel theo hệ số dư lượng khơng khí.