Nghiên cứu cải thiện đặc tính phát thải động cơ Vikyno RV 125-2 sử dụng phương pháp mô phỏng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-------o0o-------

PHAN THẾ ANH

NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN ĐẶC TÍNH PHÁT THẢI
ĐỘNG CƠ VIKYNO RV125-2 SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ
PHỎNG
Chuyên ngành: Kỹ thuật Ơtơ – Máy kéo
Mã số: 605235

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2014


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP.HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Huỳnh Thanh Công
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Nguyễn Lê Duy Khải
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Nguyễn Ngọc Dũng
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG TP. Hồ
Chí Minh, ngày 28 tháng 7 năm 2014
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ bao gồm:
1. PGS. TS. Phạm Xuân Mai
2. TS. Phạm Tuấn Anh
3. TS. Nguyễn Lê Duy Khải
4. TS. Nguyễn Ngọc Dũng
5. PGS. TS. Đặng Thành Trung

Xác nhận của Chủ tịch Hội dồng 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

PGS. TS. PHẠM XUÂN MAI

TS. NGUYỄN LÊ DUY KHẢI


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: Phan Thế Anh

MSHV: 10131080

Ngày tháng năm sinh: 23/03/1987

Nơi sinh: Tp. Hồ Chí Minh

Chun ngành: Kỹ Thuật Ơtơ – Máy kéo

Mã số: 605235

I.

TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN ĐẶC TÍNH PHÁT THẢI ĐỘNG CƠ
VIKYNO RV125-2 SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG

II.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1.

Nghiên cứu tổng quan lý thuyết sự hình thành khí thải trong động cơ diesel
01 xy-lanh và ảnh hưởng của thông số buồng cháy đến đặc tính động cơ.

2.

Nghiên cứu đề xuất các phương án cải tiến buồng cháy và xây dựng mô hình
mơ phỏng trên AVL FIRE theo định hướng giảm khí thải dựa trên các điều
kiện vận hành khác nhau của động cơ Vikyno RV125-2.

3.

Dựa trên kết quả đạt được, đánh giá ảnh hưởng của hình dạng hình học của
buồng cháy và tính tương thích với đặc tính hình học của vịi phun đến đặc
tính cơng suất và khí thải của động cơ. Từ đó, đề xuất ý kiến cải tiến buồng
cháy động cơ trên.

III. NGÀY GIAO NHIÊM VỤ: 24/06/2013

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIÊM VỤ: 20/06/2014
V.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. HUỲNH THANH CÔNG
TP. HCM, ngày …… tháng …… năm 20……
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TS. HUỲNH THANH CÔNG

TS. TRẦN HỮU NHÂN

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

TS. NGUYỄN LÊ DUY KHẢI


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Huỳnh Thanh Công – người đã hướng
dẫn tận tình và chu đáo về mặt chun mơn để tơi có thể hồn thành luận văn này.
Tơi cũng cảm ơn q Thầy Cơ trong Bộ mơn Ơ tơ – Máy động lực – Khoa
Kỹ thuật giao thông đã tạo điều kiện để tơi hồn thành tốt cơng việc của mình.
Đồng thời tôi cũng gửi lời cảm ơn đến các Thầy và các bạn đồng nghiệp tại
Phịng thí nghiệm Trọng điểm ĐHQG-HCM Động Cơ Đốt Trong đã tạo điều kiện
về thời gian, cơ sở vật chất trong suốt q trình tơi làm luận văn.
Cuối cùng, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè tơi, những người
đã động viên chia sẽ với tơi rất nhiều trong q trình học tập và làm luận văn tại
Trường Đại Học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh.
Phan Thế Anh

TĨM TẮT
Luận văn này nghiên cứu đặc tính cơng suất và khí thải động của động cơ diesel 01
xylanh, phun nhiên liệu trực tiếp bằng cách thay đổi các dạng hình học của buồng cháy
động cơ. Đây là loại động cơ được sản xuất tại Việt Nam và sử dụng trong lĩnh vực nông
nghiệp. Trong nghiên cứu này, động cơ đã được mơ hình hóa và mơ phỏng bằng phần
mềm tính tốn số CFD (Computational Fuid Dynamics) 3D AVL FIRE v.2013; có 06 dạng
buồng cháy được đề xuất – bao gồm cả buồng cháy hiện hữu của động cơ – để khảo sát
ảnh hưởng đến đặc tính cơng suất và khí thải động cơ. Các thơng số đặc tính tiêu biểu:
công suất, moment, tiêu hao nhiên liệu, lượng phái tải NOx, Soot và CO được lựa chọn để
làm tiêu chuẩn đánh giá.
Kết quả nghiên cứu cho thấy buồng cháy dạng 4, kết hợp với thời điểm phun 16
góc quay trục khuỷu trước điểm chết trên, góc giữa 2 lỗ phun đối diện 145, đường kính lỗ
phun 0,21 mm mang đến đặc tính tốt nhất về cơng suất và khí thải cho động cơ nghiên cứu
khi vận hành tại các tốc độ 2400 và 1800 v/ph ở chế độ toàn tải.

ABSTRACT
This thesis presents a simulation study on performance and emission characteristics
of a small direct injection diesel engine, using the changing of combustion chamber
geometry. The engine in the thesis, made in Vietnam, is widely used for agricultural
purpose. In this study, the engine was modeled by commercial advanced simulation CFD
tools, code AVL FIRE v.2013. The present study focus on the effect of six different cases
of combustion chamber geometry - including baseline case - on engine performance and
emission characteristics. An optimal bowl was the outcome of the simulation while engine
performance, NOx, Soot and CO were used as measurable quantities to evaluate the
improvement.
The obtained result indicated that the proper combustion chamber is found to be the
4th case of piston - combine with injection timming 16CA BTDC, injector cone angle
between 2 oposite injection holes 145, dimameter 0.21 mm of injection holes - is suitable

for the engine while running at speeds of 1800 rpm and 2400 rpm at full-load conditions.


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng các kết quả trong luận văn này đều do tôi thực hiện và
chưa được cơng bố bởi các tác giả khác.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 6 năm 2014

Phan Thế Anh


MỤC LỤC
Chương 1.

TỔNG QUAN .................................................................................... 1

1.1

Giới thiệu chung...........................................................................................1

1.2

Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu .............................................................6

1.2.1

Đối tượng nghiên cứu .............................................................................6

1.2.2

Mục tiêu nghiên cứu ...............................................................................7

1.3

Phương pháp nghiên cứu ............................................................................7

1.4

Nội dung nghiên cứu....................................................................................8

1.5

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài .....................................9

Chương 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...................................................................... 10

2.1 Cơ sở lý thuyết ảnh hưởng hình dạng buồng đốt đến sự hình thành khí
thải của động cơ ...................................................................................................10
2.1.1

Ảnh hưởng của hình dạng hình học buồng cháy đến đặc trưng dịng khí

bên trong động cơ..............................................................................................12
2.1.2

Các thơng số hình học cơ bản của buồng cháy động cơ. ......................13

2.1.3

Tối ưu buồng cháy động cơ bằng phương pháp mô phỏng ..................16

2.1.4

Tối ưu buồng cháy động cơ bằng phương pháp thực nghiệm ..............21

2.2

Giới thiệu về quá trình hình thành khí thải trong động cơ diesel ........25

2.2.1

Carbon Monoxide (CO) ........................................................................26

2.2.2

Hydrocarbon chưa cháy (HC) ...............................................................29

2.2.3

Oxide Nitơ (NOx)..................................................................................30

2.2.4

Bồ hóng (PM) .......................................................................................32

2.3

Giới thiệu phần mềm AVL FIRE .............................................................34

2.3.1

Khái quát về phần mềm AVL FIRE .....................................................34

2.3.2

Mơ hình cháy ........................................................................................35

Mục lục

Trang i


2.3.3

Mơ hình hình thành NOx trong buồng cháy..........................................37

2.3.4

Mơ hình q trình oxy hóa và hình thành muội than............................48

Chương 3. XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ MƠ PHỎNG Q TRÌNH CHÁY
ĐỘNG CƠ VIKYNO RV125-2 BẰNG PHẦN MỀM AVL FIRE ...................... 53
3.1 Mô hình hóa và mơ phỏng hoạt động động cơ Vikyno RV125-2 với
buồng cháy hiện hữu ...........................................................................................53
3.1.1

Pre- processing......................................................................................53

3.1.2

Processing .............................................................................................57

3.1.3

Post-processing .....................................................................................58

3.2 Đề xuất một số giải pháp buồng cháy cải tiến cho động cơ và mô phỏng
so sánh kiểm chứng với buồng cháy hiện hữu ..................................................59
3.2.1

Phương án piston số 1 (piston hiện hữu) ..............................................62

3.2.2

Phương án piston số 2 ...........................................................................62

3.2.3

Phương án piston số 3 ...........................................................................62

3.2.4

Phương án piston số 4 ...........................................................................62

3.2.5

Phương án piston số 5 ...........................................................................63

3.2.6

Phương án piston số 6 ...........................................................................63

3.3 Kiểm tra sự phù hợp giữa mơ hình mơ phỏng và kết quả thực nghiệm
động cơ RV125-2 ..................................................................................................64
3.3.1

Đo thực nghiệm đặc tính cơng suất và khí thải động cơ ......................64

3.3.2

Định chuẩn (Validation) mơ hình mơ phỏng ........................................67

Chương 4.

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ............................................................. 71

4.1 Ảnh hưởng của kết cấu buồng cháy đến các thông số của sự hình thành
hỗn hợp .................................................................................................................71
4.2 Ảnh hưởng của kết cấu buồng cháy đến đặc tính cơng suất và phát thải
của động cơ RV125-2. ..........................................................................................77
4.3 Đánh giá tính tương thích của thơng số vịi phun đến đặc tính cơng
suất và khí thải động cơ khi sử dụng buồng cháy cải tiến ...............................89

Mục lục

Trang ii

Chương 5.

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..................................... 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 97
PHỤ LỤC ................................................................................................................. 99

Mục lục

Trang iii


MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Kết quả đo khí thải động cơ tương ứng với góc phun dầu sớm 14 và 200
BTDC so với tiêu chuẩn khí thải US TIER 2 [5] ........................................................4
Hình 1.2 Các hướng nghiên cứu tối ưu hoạt động của động cơ .................................4
Hình 1.3 Động cơ Vikyno RV125-2 ...........................................................................6
Hình 1.4 Đồ thị đặc tính ngồi của động cơ Vikyno RV125-2 ..................................6
Hình 2.1 Hình dạng đỉnh piston hiện hữu của động cơ Vikyno RV125-2 ...............11
Hình 2.2 Thơng số kích thước piston động cơ Vikyno RV125-2 .............................11
Hình 2.3 Swirl ...........................................................................................................12
Hình 2.4 Squish .........................................................................................................13
Hình 2.5 Các thơng số hình học cơ bản đỉnh của buồng cháy động cơ ....................13
Hình 2.6 Đường kính họng .......................................................................................14
Hình 2.7 Đường kính cực đại ....................................................................................14
Hình 2.8 Độ sâu buồng cháy .....................................................................................15
Hình 2.9 Bán kính vịng xuyến .................................................................................15
Hình 2.10 Bán kính phụ ............................................................................................15
Hình 2.11 Khu vực trung tâm ...................................................................................16
Hình 2.12 Các kiểu buồng cháy động cơ diesel (Arturo de Resi et al. 2003)...........17

Hình 2.13 Đặc tính khí thải (NOx và Soot) tương ứng với các dạng buồng cháy
(Arturo de Resi et al. 2003) .......................................................................................18
Hình 2.14 Các kiểu buồng cháy động cơ diesel (Jinou Song et al. 2008) ................19
Hình 2.15 Các kiểu buồng cháy động cơ diesel (Sungwook Park et al. 2008) .........19
Hình 2.16 Các kiểu buồng cháy động cơ diesel (Sucharita et al. 2013) ...................20
Hình 2.17 Các kiểu buồng cháy động cơ diesel (Sushma et at. 2013)......................21

Mục lục

Trang iv


Hình 2.18 Tạo Swirl bằng cách cải tiến đường nạp động cơ ....................................22
Hình 2.19 Một số buồng cháy dạng BIP tiêu biểu cho động cơ diesel (John B.
Heywood, 1988) ........................................................................................................22
Hình 2.20 Một số buồng cháy dạng REB cho động cơ diesel (John B. Heywood,
1988) .........................................................................................................................23
Hình 2.21 Các kiểu buồng cháy động cơ diesel (Hiromi Kondoh et al. 1994) .........23
Hình 2.22 Các kiểu buồng cháy động cơ diesel (S. Jaichander et al. 2012) .............24
Hình 2.23 Các kiểu buồng cháy động cơ diesel (S. Jaichander et al. 2012) .............25
Hình 2.24 Thành phần khí thải động cơ diesel theo hệ số dư lượng khơng khí .......26
Hình 2.25 So sánh nồng độ CO trong sản phẩm cháy tính theo động học cân bằng
và theo động học phản ứng .......................................................................................29
Hình 2.26 Sự phụ thuộc nồng độ NO theo nhiệt độ ..................................................31
Hình 2.27 Thành phần hạt bồ hóng ...........................................................................33
Hình 2.28 Mơ hình hình thành NOx từ HCN ............................................................43
Hình 2.29 Mơ hình hình thành NOx từ NH3..............................................................46
Hình 3.1 Lưu đồ mơ hình hóa và mơ phỏng động cơ với AVL FIRE sử dụng ESE
Diesel Module ...........................................................................................................54
Hình 3.2 Thiết lập các thơng số chung của động cơ .................................................55

Hình 3.3 Xây dựng hình dạng hình học buồng cháy ................................................55
Hình 3.4 Chia lưới mơ hình ......................................................................................56
Hình 3.5 Q trình chạy mơ phỏng ...........................................................................57
Hình 3.6 Trích xuất kết quả dạng đồ thị hoặc bảng kết quả .....................................58
Hình 3.7 Nồng độ bay hơi nhiên liệu và phân bố nhiệt độ (100GQTK sau ĐCT) ....58
Hình 3.8 Phân bố nhiệt độ và nồng độ NOx (200GQTK sau ĐCT) ..........................58

Mục lục

Trang v


Hình 3.9 Phân bố độ bay hơi nhiên liệu và nồng độ Soot (200GQTK sau ĐCT) .....59
Hình 3.10 Các phương án piston...............................................................................59
Hình 3.11 Sơ đồ thử nghiệm động cơ Vikyno RV125-2 ..........................................64
Hình 3.12 Bố trí các thiết bị thử nghiệm động cơ.....................................................65
Hình 3.13 Các thiết bị sử dụng trong thử nghiệm động cơ RV125-2 .......................66
Hình 3.14 So sánh kết quả đặc tính khí thải mơ phỏng và thực nghiệm ..................68
Hình 3.15 So sánh kết quả áp suất xylanh mô phỏng và thực nghiệm .....................69
Hình 4.1 Swirl number [-] .........................................................................................72
Hình 4.2 Turbelence Kinetic Energy ........................................................................73
Hình 4.3 Giá trị cực đại của SN và TKE...................................................................74
Hình 4.4 Phân bố vận tốc [m/s] tại tốc độ 2400 v/ph, tải 100% ...............................75
Hình 4.5 NO mass fraction n = 2400 v/ph, tải 100% ................................................77
Hình 4.6 Soot mass fraction n = 2400 v/ph, tải 100% ..............................................78
Hình 4.7 CO mass fraction n = 2400 v/ph, tải 100% ................................................79
Hình 4.8 So sánh đặc tính cơng suất và phát thải của các dạng buồng cháy cải tiến
tại 2400 v/ph và tải 100% .........................................................................................81
Hình 4.9 So sánh đặc tính cơng suất và phát thải của các dạng buồng cháy cải tiến
tại 2400 v/ph và tải 75%............................................................................................81

Hình 4.10 So sánh đặc tính công suất và phát thải của 5 dạng buồng cháy cải tiến tại
1800 v/ph và tải 100%...............................................................................................84
Hình 4.11 So sánh đặc tính cơng suất và phát thải của 5 dạng buồng cháy cải tiến tại
1800 v/ph và tải 75%.................................................................................................84
Hình 4.12 Phân bố nhiệt độ xylanh tại vị trí 3800GQTK, vận tốc 2400 vòng/phút, tải
100% .........................................................................................................................87

Mục lục

Trang vi


Hình 4.13 Phân bố mật độ trong xylanh tại vị trí 3600GQTK, vận tốc 2400
vịng/phút, tải 100% ..................................................................................................88
Hình 4.14 Góc giữa hai lỗ phun đối diện (δ) ............................................................90
Hình 4.15 So sánh kết quả khi thay đổi góc giữa hai lỗ phun đối diện ....................90

Mục lục

Trang vii


MỤC LỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Tác hại của các chất gây ơ nhiễm trong khí thải động cơ [1] ......................1
Bảng 1.2 Tính năng kỹ thuật động cơ Vikyno RV125-2 ............................................7
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật động cơ nghiên cứu và các chế độ hoạt động (Arturo de
Resi et al. 2003).........................................................................................................17
Bảng 2.2 Kết quả tính tốn đặc tính dịng khí trong xylanh (Sucharita et al. 2013).20
Bảng 2.3 Các kiểu kim phun (Hiromi Kondoh et al. 1994) ......................................23
Bảng 3.1 Các phương án piston ................................................................................60

Bảng 3.2 So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm ...............................................67
Bảng 3.3 So sánh các thông số cơ bản của các phương án buồng cháy ...................70
Bảng 4.1 Giá trị cực đại của SN và TKE ..................................................................71
Bảng 4.2 So sánh đặc tính cơng suất và phát thải giữa các buồng cháy khác nhau tại
2400 v/ph, tải 100%, .................................................................................................80
Bảng 4.3 So sánh đặc tính cơng suất và phát thải giữa các buồng cháy khác nhau tại
2400 v/ph, tải 75% ....................................................................................................80
Bảng 4.4 So sánh đặc tính cơng suất và phát thải giữa các buồng cháy khác nhau tại
1800 v/ph, tải 100% ..................................................................................................83
Bảng 4.5 So sánh đặc tính cơng suất và phát thải giữa các buồng cháy khác nhau tại
1800 v/ph, tải 75% ....................................................................................................83
Bảng 4.6 So sánh kết quả khi thay đổi góc giữa hai lỗ phun đối diện ......................91

Mục lục

Trang viii


DANH SÁCH CÁC KÝ TỰ VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Các ký tự La Tinh
Ký tự

Ý nghĩa

Đơn vị

A/F

Tỉ lệ khối lượng không khí/nhiên liệu nạp vào động cơ

Dxl

Đường kính xylanh

m, mm

g

Gia tốc trọng trường

m/s2

m

Khối lượng

Kg, g

m

Lưu lượng khối lượng

Kg/h, g/s

Q

Lưu lượng thể tích

m3/h, lít/s

S

Hành trình piston

m, mm

Các ký hiệu hóa học
Ký tự

Ý nghĩa

C

Carbon

CO

Carbon Monoxide

CO2

Carbon Dioxide

H2O

Nước

HC

Hydrocarbon

N2

Khí Nitơ

NOx

Oxide Nitơ

O2

Khí Oxy

Mục lục

Trang ix


CÁC KÝ TỰ HI LẠP
Ký tự

Ý nghĩa

Đơn vị

α

Hệ số dư lượng khơng khí

ε

Tỉ số nén

η

Hiệu suất

%

ρ

Khối lượng riêng

Kg/m3, g/cm3

Φ

Hệ số tương đương (Φ =1/α)

Danh sách các chữ viết tắt tiếng Anh
Chữ viết tắt

Ý nghĩa

ATDC

After Top Dead Center

Sau điểm chết trên

BDC

Bottom Dead Center

Điểm chết dưới

BIP

Bowl – in Piston

BSFC

Brake Specific Fuel Consumption

Suất tiêu hao nhiên liệu

BTDC

Before Top Dead Center

Trước điểm chết trên

BTE

Brake Thermal Efficiency

Hiệu suất nhiệt

CFD

Computational Fluid Dynamics

CI

Compressed Ignition

(Động cơ) tự cháy

degCA (0CA)

Degree Crank Angle

Độ (đơn vị góc tính theo góc
quay trục khuỷu động cơ)

EVM

Eddy Viscovity Model

HP

House Power

Mã Lực

IT

Injection Timing

Góc phun dầu sớm

Mục lục

Trang x


LHV

Low Heating Value

Nhiệt trị thấp

PM

Particulate Matter

Bồ hóng, thành phần hạt

REB

Re-entrant Bowl piston

RPM

Revolutions Per Minute

vòng/phút (v/ph)

SI

Spark Ignition

(Động cơ) cháy cưỡng bức

SN

Swirl Number

st

Stoichiometric

TDC

Top Dead Center

Điểm chết trên

TKE

Turbulent Kinetic Energy

Năng lượng rối

Mục lục

Trang xi


Chương 1.

TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung
Động cơ nhiệt dùng nhiên liệu truyền thống (như xăng, diesel …) hiện là một
trong những nguồn động lực chủ yếu được lắp đặt và sử dụng trong lĩnh vực công
nghiệp, nông nghiệp, ôtô chuyên dùng trong lĩnh vực xây dựng, đặc biệt là trong
lĩnh vực giao thông vận tải. Tuy nhiên, một trong những hạn chế của loại động cơ
này là gây ra sự gia tăng đáng kể mức phát thải ô nhiễm đối với mơi trường. Ơ
nhiễm mơi trường do khí thải động cơ đốt trong gây ra đã là mối quan tâm của
nhiều quốc gia kể từ lúc nền công nghiệp động cơ và ơtơ bắt đầu phát triển. Theo
trình tự thời gian, có thể kể đến các quốc gia đặt ra vấn đề ơ nhiễm mơi trường do
khí thải động cơ gây ra: Đức (1910), Mỹ (1959), Pháp (1963), Nhật (1966), tiếp
theo là các nước cộng đồng Châu Âu, Canada, Úc và các nước Châu Á. Sự gia tăng
mức phát thải ô nhiễm gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng. Khí thải của động cơ đốt
trong chứa các chất độc hại như CO, CO2, HC, NOx và thành phần hạt PM… gây
ảnh hưởng đến sức khỏe con người, cũng như ảnh hưởng đến mơi trường. Bảng 1.1
tóm tắt các ảnh hưởng chính của các thành gây ơ nhiễm trong khí thải động cơ đến
sức khỏe con người và môi trường [1]. Đối với động cơ diesel tĩnh tại, các tiêu
chuẩn khí thải tiêu biểu có thể kể đến bao gồm STAGE (Châu Âu) và US TIER
(Hoa Kỳ). Các tiêu chuẩn khí thải này không chỉ đặt ra giới hạn phát thải ô nhiễm
đối với NOx, PM mà còn bao gồm cả lượng HC và CO sinh ra từ động cơ. Các quy
định khí thải ngày càng chặt chẽ thúc đẩy sự phát triển các công nghệ mới nhằm tối
ưu hoạt động của động cơ.
Bảng 1.1 Tác hại của các chất gây ô nhiễm trong khí thải động cơ [1]
Chất ô nhiễm
CO

Nguồn phát thải

Ảnh hưởng chính

Ơ tơ: 93%. Các Cản trở sự trao đổi O2 trong máu và gây
nguồn sinh năng ngộ độc CO (nếu nồng độ CO trong khơng
lượng
khí từ 30 đến 45 ppm thì sẽ làm tê liệt hệ
thần kinh thực vật)

Chương 1: Đặt vấn đề

Trang 1


HC

Ơ tơ: 57%. Lọc dầu, Kích thích thành bên trong của các cơ quan
sử dụng các dung hơ hấp
mơi,...: 43%

NOx

Ơ tơ: 49%. Nhà máy, Kích thích mắt, mũi họng. Nếu sự kích
nguồn sinh năng thích rất mạnh có thể gây ho, đau đầu và hư
lượng: 61%
hại phổi. Nếu nồng độ NO2 trong khí quyển
3-5 ppm thì đã có dấu hiệu của sự kích
thích. Kích thích lên mắt, mũi ở 10-30 ppm
gây ho, đau đầu, chóng mặt ở 30-50 ppm.
Làm giảm quá trình quang hợp của cây
xanh.

PM

Do hàm lượng lưu
huỳnh cao, nhiên
liệu, nhớt bôi trơn
chưa cháy hết... kết
hợp

Gây ung thư đường hơ hấp. Bồ hóng bám
vào cây cỏ làm giảm khả năng quang hợp,
cây cối dễ bị héo chết. Bồ hóng bám vào
cơng trình xây dựng gây ra ăn mịn kim
loại

Tại Việt Nam, khơng nằm ngồi xu thế chung của thế giới, vấn đề khí thải từ
động cơ đốt trong là một trong những vấn đề được quan tâm hàng đầu. Từ tháng
10/2005, theo quyết định số 249/2005/QĐ-TTg của Thủ tướng chính phủ, việc hạn
chế mức khí thải đối với phương tiện giao thông cơ giới đường bộ (bao gồm xe
máy, môtô và ôtô) được áp dụng dựa trên tiêu chuẩn Euro 2 [2],[3]. Theo đó, các
tiêu chuẩn khí thải cáp dụng cho động cơ diesel lắp trên phương tiện vận tải gồm có
TCVN 6565:2006, TCVN 6567:2006, TCVN 6585:2006. Tuy nhiên, chưa có quy
định khí thải nào áp dụng cho động cơ nông nghiệp tĩnh tại công suất nhỏ.
Ngành công nghiệp động cơ đốt trong của Việt Nam với nòng cốt là Tổng công
ty Máy Động lực và Máy nông nghiệp Việt Nam (VEAM). Theo số liệu thống kê
của công ty VEAM, hàng năm công ty cung cấp ra thị trường hàng năm 48.000
động cơ máy nơng nghiệp, trong đó riêng công ty TNHH MTV Động cơ và Máy
nông nghiệp Miền Nam (SVEAM) cung cấp khoảng 45.000 động cơ. Động cơ

Chương 1: Đặt vấn đề

Trang 2


diesel RV125-2 là sản phẩm chủ lực chiếm hơn 40% số lượng động cơ SVEAM
xuất ra thị trường. Các nghiên cứu tiêu biểu trên động cơ RV125-2 có thể kể đến:
1. “Nghiên cứu mơ phỏng đặc tính động cơ diesel RV125-2”, Huỳnh Thanh
Công, Hội nghị khoa học công nghệ lần thứ 12, Trường Đại Học Bách Khoa
– ĐHQG Tp.HCM (tháng 10/2011).
2. “Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu song song
biogas-diesel”, Nguyễn Đình Hùng - Nguyễn Hữu Hường - Vũ Việt Thắng Vương Như Long, Hội nghị khoa học công nghệ lần thứ 11, Trường Đại Học
Bách Khoa – ĐHQG Tp.HCM (tháng 10/2009).
3. “Tính tốn mơ phỏng trong quá trình tạo hỗn hợp trong hệ thống cung cấp
biogas cho động cơ RV125-2”, Dương Tuấn Việt, Lê Duy Linh, Dương Việt
Dũng, Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7
Đại học Đà Nẵng năm 2010
4. “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu khí dầu mỏ hố
lỏng (LPG) cho động cơ Diesel”, Đỗ Văn Dũng, Lê Thanh Phúc, Lê Việt
Hùng công ty TNHH MTV Động cơ và Máy nông nghiệp Miền Nam.
Các nghiên cứu trên chỉ tập trung cải thiện tính năng hoạt động của động cơ, ứng
dụng các nhiên liệu thay thế trên động cơ, chưa có nghiên cứu nào cho thấy đặc tính
khí thải hiện trạng cũng như cải thiện đặc tính phát thải của động cơ. Phịng thí
nghiệm Trọng điểm ĐHQG-HCM Động cơ đốt trong, trường Đại học Bách khoa
TPHCM đã thực hiện một số thử nghiệm đánh giá khí thải động cơ Vikyno RV1252 trên băng thử cơng suất theo chu trình thử ISO 8178-C1. Kết quả thử nghiệm thử
nghiệm ban đầu cho thấy mức phát thải chất ô nhiễm của động cơ của động cơ vượt
xa mức cho phép đối với tiêu chuẩn US TIER 2. Việc thay đổi góc phun dầu dầu
sớm cũng chỉ giảm được tổng lượng NOx và HC trong khí thải động cơ, lượng CO
và PM vẫn vượt tiêu chuẩn US TIER 2 [4], [5].

Chương 1: Đặt vấn đề

Trang 3


Hình 1.1 Kết quả đo khí thải động cơ tương ứng với góc phun dầu sớm 14 và 200
BTDC so với tiêu chuẩn khí thải US TIER 2 [5]
Qua đó, có thể thấy được việc giảm chất ơ nhiễm trong khí thải động cơ Vikyno
RV125-2 là một nhu cầu cấp thiết. Giảm được được thành phần độc hại trong khí
thải động cơ là góp phần giảm ơ nhiễm mơi trường, bảo vệ và nâng cao chất lượng
cuộc sống. Đối với sản phẩm một sản phẩm chủ lực như động cơ RV125-2, việc cải
thiện đặc tính phát thải ơ nhiễm động cơ cịn góp phần nâng cao khả năng xuất khẩu
của động cơ cũng như tăng khả năng cạnh tranh đối với thị trường nội địa, hướng
đến việc đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải trong tương lai dành cho động cơ nông
nghiệp tĩnh tại tại Việt Nam. Để cải giảm phát thải ô nhiễm của động cơ, nhiều biện
pháp kỹ thuật nhằm tối ưu hoạt động của động cơ đã được áp dụng [6], [7]. Hình
1.2 thể hiện các hướng nghiên cứu tiêu biểu trên động cơ.

Hình 1.2 Các hướng nghiên cứu tối ưu hoạt động của động cơ

Chương 1: Đặt vấn đề

Trang 4


1. Tác động vào quá trình nạp: để nạp tối đa khơng khí vào động cơ, các biện
pháp có thể kế đến như tăng áp (turbo-charge), tăng số lượng van nạp.
Phương pháp tăng áp nếu áp dụng cho động cơ nông nghiệp sẽ làm kết cấu
động cơ trở nên phức tạp, tăng giá thành động cơ.
2. Tác động về mặt nhiên liệu:
a. Sử dụng nhiên liệu diesel có trị số cetane cao, giảm lượng lưu huỳnh

trong nhiên liệu: phụ thuộc rất nhiều vào chính sách khuyến khích của
chính phủ, lộ trình áp dụng các tiêu chuẩn khí thải, tiêu chuẩn nhiên liệu
cho động cơ diesel.
b. Sử dụng các loại nhiên thay thế (Biodiesel, Biogas…): sử dụng nhiên
liệu diesel sinh học, do sự có mặt của oxy trong nhiên liệu đã cải thiện
đáng kể hiệu quả của quá trình cháy nhờ việc tăng độ đồng nhất về oxy
trong hỗn hợp nhiên liệu, khơng khí. Nhờ đó, phát thải HC, CO, PM giảm,
đồng thời cũng làm tăng lượng NOx của động cơ [8]. Việc áp dụng nhiên
liệu mới/thay thế đòi hỏi nguồn nhiên liệu dồi dào, các chính sách khuyến
khích của chính phủ.
3. Tác động vào khí thải động cơ: Xử lý các thành phần độc hại trên đường ống
thải động cơ bằng các bộ xử lý xúc tác: có thể sử dụng phối hợp nhiều loại
bộ xử lý xúc tác để xử lý cùng lúc thành phần CO, HC (Diesel Oxidation
Catalyst – DOC), NOx (Lean NOx Trap – LNT, Selective Catalytic
Reduction – SCR), PM (Diesel Particualate Filter – PDF). Tuy nhiên, giá
thành thành các bộ xử lý xúc tác này hiện vẫn còn ở mức cao do sử dụng các
loại kim loại quý, phương pháp này khi áp dụng cho động cơ nông nghiệp sẽ
đẩy giá thành động cơ lên cao.
4. Tác động vào quá trình cháy: khác với các phương pháp trên tác động vào
các yếu tố bên ngoài. Việc tác động vào buồng cháy động cơ tạo điều kiện
hòa trộn tốt hỗn hợp nhiên liệu/khơng khí, giảm các khu vực hỗn hợp quá
đậm hoặc quá nghèo cục bộ. Việc tối ưu hình dạng buồng cháy giúp ngăn

Chương 1: Đặt vấn đề

Trang 5


chặn sự hình thành các thành phần gây ơ nhiễm ngay bên trong buồng cháy
động cơ. Việc tối ưu hình dạng buồng cháy là biện pháp hồn tồn có thể áp

dụng đối với động cơ nông nghiệp như Vikyno RV125-2.
Thực tế, động cơ diesel một xy-lanh Vikyno RV125-2 được sản xuất dựa trên
bản quyền thiết kế của Kubota từ cách đây rất lâu (hơn 20 năm) nên nhiều thông số
hoạt động của động cơ khơng giúp tối ưu đặc tính động cơ, đặc biệt là đặc tính về
hình thành hỗn hợp nhiên liệu và khơng khí trong buồng cháy. Do vậy, việc nghiên
cứu cải tiến buồng cháy của động cơ Vikyno RV125-2 nhằm tối ưu q trình hịa
trộn giữa khơng khí và nhiên liệu trong buồng cháy, cải thiện quá trình cháy, giảm
các thành phần độc hại ngay tại nguồn phát sinh là biện pháp có tính khả thi cao.

1.2 Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu
1.2.1 Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu chính là buồng cháy động cơ Diesel một xylanh Vikyno
RV125-2; đây là dòng động cơ sản xuất bởi công ty TNHH MTV Động cơ và Máy
nông nghiệp Miền Nam (SVEAM) được sử dụng rộng rãi tại thị trường Việt Nam.
Thông số kỹ thuật của động cơ được thể hiện chi tiết trong Hình 1.3 và Bảng 1.1

Hình 1.3 Động cơ Vikyno RV125-2

Hình 1.4 Đồ thị đặc tính ngồi của
động cơ Vikyno RV125-2
Ne: Cơng suất tối đa (HP), Na: Công suất định mức (HP),
T: moment xoắn (kgm), be: Suất tiêu hao nhiên liệu (g/HP-h)

(Nguồn: />
Chương 1: Đặt vấn đề

Trang 6


Bảng 1.2 Tính năng kỹ thuật động cơ Vikyno RV125-2

(Nguồn: />KIỂU
RV125-2
Loại
4 kỳ, 1 xilanh, nằm ngang
Đường kính x hành trình piston (mm)
94 x 90
Thể tích xylanh (cm3)
624
Cơng suất định mức (Mã lực/vịng/phút)
10.5/2200
Cơng suất tối đa (Mã lực/vịng/phút)
12.5/2400
Moment cực đại (kgm/vịng/phút)
4.04/1800
Tỉ số nén
18
Nhiên liệu
Dầu Diesel
Thể tích thùng nhiên liệu (l)
10.5
Suất tiêu thụ nhiên liệu (g/Mã lực/giờ)
185
Áp suất mở vịi phun(Kg/cm2)
220
Dầu bơi trơn
Nhớt 30 (SAE30,20,10W-30)
Thể tích dầu bơi trơn (l)
2.8
Hệ thống đốt nhiên liệu
Phun trực tiếp

Hệ thống khởi động
Tay quay, Khởi Động Điện
Hệ thống làm mát
Két nước
Thể tích nước làm mát (l)
2.1
Trọng lượng (kg)
105
Kích thước:Dài x Rộng x Cao (mm)
747 x 370 x 472

1.2.2 Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chính của nghiên cứu này là đề xuất và kiểm chứng các giải pháp cải
tiến buồng cháy bằng phương pháp mô phỏng nhằm nâng cao quá trình hình thành
hỗn hợp và sự cháy, từ đó cải thiện đặc tính phát thải động cơ vikyno RV125-2.

1.3 Phương pháp nghiên cứu
 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:
-

Sử dụng lý thuyết mô phỏng chuyên ngành về nhiệt động, lưu chất, …

-

Lý thuyết hình thành các chất ô nhiễm trong động cơ đốt trong

-

Lý thuyết về các mơ hình hình thành hỗn hợp, mơ hình q trình cháy,
truyền nhiệt và mơ hình hình thành các chất ơ nhiễm động cơ đốt

trong, áp dụng trong phần mềm AVL FIRE.

Chương 1: Đặt vấn đề

Trang 7


-

Tham khảo các báo cáo khoa học đã được công bố trong Hội nghị khoa
học, Tạp chí khoa học trong và ngoài nước, các đề tài khoa học các
cấp, luận văn cao học của các tác giả trong và ngoài nước.

 Phương pháp mô phỏng: sử dụng phần mềm CFD-3D thương mại
AVL FIRE để xây dựng mơ hình và thực hiện mơ phỏng đánh giá đặc
tính cơng suất và phát thải động cơ Vikyno RV125-2 dựa trên các dạng
buồng cháy đề xuất.
 Phương pháp tham khảo ý kiến chuyên gia: Tham khảo ý kiến của
các chuyên gia trong và ngoài nước về lĩnh vực cải tiến động cơ nông
nghiệp.

1.4 Nội dung nghiên cứu
Nội dung luận văn chia làm 5 chương, bao gồm:
Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về vấn đề tính cấp thiết của đề tài, các
nghiên cứu trong và ngồi nước. Chương này cũng trình bày mục tiêu, nội dung,
phạm vi và đối tượng nghiên cứu, phương pháp tiếp cận.
Chương 2: Khái quát sự hình thành các chất gây ô nhiễm trong khí thải động
cơ. Các cơ sở lý thuyết về quá trình hình thành hỗn hợp, ảnh hưởng của hình dạng
piston đến đặc tính khí thải động cơ. Các tính năng của phần mềm AVL FIRE cũng
được giới thiệu trong chương này.

Chương 3: Xây dựng mơ hình và mô phỏng hoạt động của động cơ Vikyno
RV125-2 với các giải pháp đề xuất cải tiến buồng cháy bằng AVL FIRE. Mơ hình
động cơ RV125-2 hiện hữu được nghiên cứu đánh giá và làm cơ sở đối chứng.
Chương 4: Trình bày kết quả nghiên cứu. Kết quả đặc tính cơng suất và khí
thải (NOx và PM) của động cơ RV125-2 với các mơ hình buồng cháy cải tiến được
đánh giá, so sánh với nhau và với động cơ hiện tại. Từ đó, đề xuất kết cấu buồng
cháy tốt nhất cho động cơ nghiên cứu.
Chương 5: Kết luận và đề xuất ý kiến.

Chương 1: Đặt vấn đề

Trang 8