Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ảnh hưởng cả b10, e10 và m10 tới trạng thái nhiệt của ống lót xi lanh động cơ lưỡng nhiên liệu cồn diesel​

i

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

NGUYỄN TRỌNG QUÝ

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

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

Thái Nguyên - Năm 2018


ii

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái
Ngun, Phịng Đào tạo và Khoa kỹ thuật Ơ tơ và Máy động lực đã cho phép tôi
thực hiện luận văn này. Xin cảm ơn Phịng Đào tạo và Khoa kỹ thuật Ơ tơ và Máy
động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt q trình tơi học tập và làm luận văn.
Tơi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Trung Kiên đã hướng dẫn tơi hết sức
tận tình và chu đáo về mặt chun mơn để tơi có thể thực hiện và hồn thành luận
văn.
Tơi xin cảm ơn lãnh đạo, các đồng nghiệp tại Cơ quan nơi tôi công tác đã tạo
điều kiện và động viên tơi trong suốt q trình học tập.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội

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


iii

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

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


iv

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

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


v

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


vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
B10
E10
M10
CNG
LPG
GTL
CTL
P

T

BSFC

IMEP
BSAC


vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Phân loại nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong.................................8
Bảng 2.1. Các phần tử chính của mơ hình động cơ V12, [30]................................ 37
Bảng 2.2. Các thông số đầu vào động cơ V12 sử dụng trong mơ hình, [30]..........39
Bảng 3.1. Kết quả tính tốn các chỉ tiêu công tác của động cơ V12.......................43
Bảng 3.2. Kết quả tính tốn và so sánh với số liệu của nhà sản xuất......................44
theo đặc tính ngồi động cơ V12 [30].....................................................................44
Bảng 3.3. Một số tính chất cơ bản của D100, B10, E10 và M10 [25], [29]............45
Bảng 3.4. Các chỉ tiêu công tác của động cơ V12...................................................46
khi sử dụng nhiên liệu D100, B10, E10 và M10.....................................................46
Bảng 3.5. Thuộc tính vật liệu chế tạo ống lót xi lanh động cơ V12, [30]...............52


viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Kịch bản đa dạng hóa nhiên liệu ở châu Âu [8].........................................6
Hình 1.2. Các loại nhiên liệu thay thế dùng cho động cơ đốt trong [8]...................14
Hình 1.3. Sơ đồ phân bố nhiệt độ và dịng nhiệt......................................................20
ngang thành vách buồng cháy..................................................................................20

Hình 1.4. Sơ đồ truyền nhiệt đối lưu tới thành buồng cháy, [2].............................. 20
Hình 2.1. Cửa sổ giao diện GT-Power.....................................................................26
Hình 2.2. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử xy lanh.................................27
Hình 2.3. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử cơ cấu phân phối khí...........28
Hình 2.4. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử vịi phun...............................29
Hình 2.5. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử các thơng số động cơ...........30
Hình 2.6. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử đường ống............................31
Hình 2.7. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử dòng phân chia.................... 32
Hình 2.8. Các vùng của tia phun và quy luật đánh số các vùng, [2], [9].................34
Hình 2.9. Hệ số trao đổi nhiệt theo góc quay trục khuỷu tính tốn.........................36
theo phương trình của Woschni và Hohenberg, [2]................................................. 36
Hình 2.10. Mơ hình động cơ V12............................................................................ 37
Hình 3.1. Kết quả tính toán Me, Gnl và so sánh với số liệu của nhà sản xuất..........44
theo đặc tính ngồi của động cơ V12, [30]..............................................................44
Hình 3.2. Diễn biến nhiệt độ mơi chất trong xi lanh động cơ..................................48
khi sử dụng các nhiên liệu D100, B10, E10 và M10............................................... 48
Hình 3.3. Hệ số truyền nhiệt từ môi chất tới thành vách buồng cháy......................48
khi sử dụng các nhiên liệu D100, B10, E10 và M10............................................... 48
Hình 3.4. Mơ hình hình học của ống lót xi lanh động cơ V12................................ 50
Hình 3.5. Mơ hình 2 miền xi lanh động cơ V12......................................................53
Hình 3.6. Mơ hình trao đổi nhiệt của ống lót xi lanh động cơ V12.........................57
Hình 3.7. Trường nhiệt độ ống lót xi lanh khi sử dụng nhiên liệu D100.................60
Hình 3.8. Trường nhiệt độ ống lót xi lanh khi sử dụng nhiên liệu E10...................60
Hình 3.9. Trường nhiệt độ ống lót xi lanh khi sử dụng nhiên liệu B10...................61
Hình 3.10. Trường nhiệt độ ống lót xi lanh khi sử dụng nhiên liệu M10................61


1

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, cùng với sự tăng trưởng về số lượng xe cơ giới là sự gia tăng ơ
nhiễm mơi trường do khí thải độc hại từ động cơ của các phương tiện. Nguồn ô
nhiễm này gây ảnh hưởng lớn tới sức khỏe và cuộc sống của con người, đặc biệt
là ở các thành phố lớn có mật độ xe cơ giới và mật độ dân cư cao. Một trong các
giải pháp nhằm giải quyết vấn đề này là sử dụng các loại nhiên liệu thay thế,
nhiên liệu sinh học có khả năng tái tạo và thân thiện với mơi trường. Do đó, việc
nghiên cứu và ứng dụng nhiên liệu sinh học trên các loại phương tiện trong giai
đoạn hiện nay là điều cần thiết.
Việc nghiên cứu phát triển và ứng dụng các loại nhiên liệu thay thế đang là
xu hướng chung của nhiều nước trên thế giới nhằm làm giảm sự phụ thuộc vào
nhiên liệu hóa thạch, đảm bảo an ninh năng lượng cũng như giảm tác động tới mơi
trường đặc biệt là khí gây hiệu ứng nhà kính. Động cơ cháy do nén (động cơ diesel)
được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: nông nghiệp, giao thông vận tải, máy
phát điện… do ưu điểm nổi bật là hiệu suất cao; tuy nhiên trong sản phẩm cháy lại
chứa nhiều thành phần độc hại với con người và môi trường đặc biệt là ô xít ni tơ
(NOx) và chất ơ nhiễm dạng hạt (PM - Particulate Matter). Sử dụng nhiên liệu có
nguồn gốc sinh học (bio-based fuels) trong động cơ diesel là một giải pháp hiệu quả
nhằm giảm phát sinh các thành phần độc hại trong khí xả. Một trong số đó, nhiên
liệu cồn (alcohol) là một trong những nhiên liệu tiềm năng nhằm giảm phát thải và
sự lệ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Alcohol là loại nhiên liệu phù hợp để pha trộn
với nhiên liệu diesel, do bản chất nó là nhiên liệu lỏng và chứa hàm lượng ô xi cao.
Trong các loại nhiên liệu alcohol, các nhiện liệu alcohol chứa hàm lượng các bon
thấp (chứa 3 hoặc ít hơn 2 nguyên tố cacbon) như methanol và ethanol hiện được
coi là những nhiên liệu pha trộn với nhiên liệu diesel khoáng nhận được nhiều sự
quan tâm do ưu điểm về công nghệ sản xuất và có hàm lượng

ơ xi cao, do đó cải thiện đáng kể đặc tính cháy và đặc tính phát thải. Tuy nhiên,
do số cetane thấp và nhiệt ẩn bay hơi cao cũng như vấn đề hòa trộn làm cản trở

2

việc sử dụng các alcohol có hàm lượng các bon thấp làm nhiên liệu thay thế cho
động cơ diesel. Nhiên liệu alcohol có hàm lượng các bon cao (chứa từ 4 nguyên
tố các bon trở lên) có nhiều triển vọng làm nhiên liệu thay thế hơn so với nhiên
liệu alcohol hàm lượng các bon thấp do chúng có số cetane và nhiệt trị cao hơn
cũng như khả năng hòa trộn tốt hơn.
Hiện nay có 4 phương pháp phổ biến nhất để hình thành lên chế độ vận
hành lưỡng nhiên liệu cồn - diesel (alcohol - diesel) trong động cơ cháy do nén,
đó là:
1.
Phun hơi cồn (Alcohol Fumigation): trong phương pháp này, nhiên liệu
alcohol

được đưa vào đường ống nạp của động cơ thơng qua vịi phun hoặc chế hịa khí.
2. Pha trộn cồn - diesel (alcohol - diesel blend): trong phương pháp này, nhiên
liệu alcohol và diesel được hòa trộn theo tỷ lệ nhất định trước để tạo thành hỗn
hợp đồng nhất và sau đó được phun trục tiếp vào xi lanh thơng qua các vịi phun.
3.
Nhũ tương cồn - diesel (Alcohol - diesel emulsification): theo phương
pháp này,

sử dụng chất chuyển thể sữa để hòa trộn hỗn hợp nhiên liệu nhằm ngăn chặn sự
phân ly.
4. Phun kép (Dual injection): theo đó, sử dụng 2 hệ thống phun riêng rẽ để phun
nhiên liệu cồn và diesel vào xi lanh.
Trong đó phương pháp phun hơi cồn vào đường nạp và pha trộn cồn - diesel
được sử dụng phổ biến hơn cả. Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu về ảnh hưởng
của của tỷ lệ cồn đến hiệu suất, đặc tính cháy và đặc tính phát thải của động cơ

diesel [11  29], tuy nhiên các cơng trình này chỉ trình bày kết quả nghiên cứu thực
nghiệm; một số ít trình bày về mơ phỏng số nhưng các thuật tốn và chương trình
mơ phỏng khơng được giới thiệu chi tiết; chính vì vậy, mơ phỏng đặc tính của loại
động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel là cần thiết để làm chủ công nghệ, cũng như
ứng dụng vào thực tiễn tại Việt Nam nhằm giảm ô nhiễm môi trường từ các động
cơ diesel đang lưu hành. Như ta đã biết, do tốc độ tỏa nhiệt của hỗn hợp cồn diesel lớn hơn so với nhiên liệu diesel truyền thống do thời gian cháy trễ kéo dài
hơn và do nhiên liệu alcohol có chứa hàm lượng ô xi cao; tuy nhiên vấn đề


3

này chưa thấy đề cập trong các cơng trình nghiên cứu gần đây, do đó nghiên cứu
ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu cồn - diesel tới trạng thái nhiệt của các chi tiết
bao quanh buồng cháy là cần thiết. Chính vì vậy, tác giả lựa chọn đề tài: “Nghiên

cứu ảnh hưởng của B10, E10 và M10 tới trạng thái nhiệt của ống lót xi lanh
động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel” làm đề tài luận văn cao học của mình.
2.
-

Mục đích của đề tài

Mục đích của luận văn là đưa ra được “bức tranh” về ảnh hưởng của của 3 loại

nhiên liệu diesel sinh học có tỷ lệ pha trộn cồn 10% như (B10 - 10% Butanol; E10 10% Ethanol và M10 - 10% Methanol) đến trạng thái nhiệt của ống lót xi lanh

động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel.
-

Xây dựng mơ hình động cơ lưỡng nhiên liệu (bằng phần mềm GT-Power) và

mơ hình tính tốn trạng thái nhiệt ống lót xi lanh bằng phương pháp phần tử hữu
hạn dựa trên phần mềm ANSYS;
-

Trên cơ sở mô hình, tác giả đánh giá ảnh hưởng của 3 loại nhiên liệu diesel

sinh học B10, E10 và M10 đến các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của động cơ, cũng
như đánh giá sự ảnh hưởng của chúng tới trạng thái nhiệt của ống lót xi lanh.
3.

Trên cơ sở kết quả mô phỏng số đưa ra một số kết luận và kiến nghị.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

* Ý nghĩa khoa học:
Luận văn đã góp phần đánh giá được quá trình hình thành hỗn hợp và
cháy của nhiên liệu diesel sinh học B10, E10 và M10 trong động cơ cháy do nén
thơng qua các mơ hình mơ phỏng được xây dựng trên phần mềm GT-Power. Từ
các mơ hình này, có thể khảo sát ảnh hưởng của diesel sinh học ở các tỷ lệ khác
nhau đến đặc tính cháy, các thông số kinh tế - kỹ thuật và phát thải của động cơ
được khảo sát. Đây là cơ sở lý thuyết cho việc so sánh với thực nghiệm để từ đó
có thể đề xuất kiến nghị sử dụng nhiên liệu cồn - diesel cho động cơ ở tỷ lệ thích
hợp cũng như kiến nghị điều chỉnh các thông số vận hành một cách phù hợp khi
sử dụng các loại nhiên liệu alcohol với các tỷ lệ khác nhau.


4

* Ý nghĩa thực tiễn:
- Các mơ hình xây dựng trong luận văn có thể tham khảo cho q trình

đào

tạo chuyên sâu liên quan đến vận hành động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel cho
động cơ cháy do nén;
- Chương trình khảo sát trạng thái nhiệt ống lót xi lanh có thể sử dụng làm
cơ sở cho các mục đích tương tự;
-

Kết quả của luận văn là cơ sở lý thuyết cho việc so sánh với kết quả thực

nghiệm khi nghiên cứu về động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel.
4.

Đối tượng nghiên cứu
Động cơ V12, diesel 4 kỳ, 12 xi lanh bố trí chữ V.

5. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết: xây dựng mơ hình động cơ lưỡng nhiên liệu (bằng
phần mềm GT-Power) và mơ hình tính tốn trạng thái nhiệt ống lót xi lanh dựa
trên phương pháp phần tử hữu hạn (ANSYS), mô phỏng và phân tích kết quả;
6. Phạm vi nghiên cứu
Luận văn nghiên cứu về lý thuyết đến đặc tính cháy (tốc độ tỏa nhiệt, hệ
số truyền nhiệt…) khi sử dụng D100, B10, E10 và M10 trên phần mềm mô
phỏng một chiều nhiệt động GT-Power của hãng Gama Technology - Mỹ; trên
cơ sở đặc tính cháy thu được từ phần mềm GT-Power sẽ là thơng số đầu vào cho
mơ hình tính tốn trạng thái nhiệt ống lót xi lanh bằng phần mềm ANSYS.
Chế độ tính tốn: chế độ cơng suất định mức.
7. Nội dung nghiên cứu
Thuyết minh của luận văn được trình bày gồm các phần chính sau:
- Mở đầu

- Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
- Chương 2. Xây dựng mô hình mơ phỏng bằng phần mềm GT-Power
-

Chương 3. Kết quả tính tốn mơ phỏng động cơ

V12 và trạng thái nhiệt của ống lót xi lanh theo các
loại nhiên liệu khảo sát


- Kết luận và kiến nghị


5

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Các nguồn năng lượng tồn cầu và tình trạng năng lượng hiện tại
Các nguồn năng lượng có thể được chia thành 3 nhóm: năng lượng hóa thạch,
năng lượng tái tạo và năng lượng ngun tử. Năng lượng hóa thạch được hình
thành hàng triệu năm trước nên không được gọi là nguồn tái tạo. Ngày nay, do sự
phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp ô tô trên thế giới, nên nhu cầu về
dầu mỏ tăng lên nhanh chóng. Thế giới đang phải đối mặt với thực tế là nguồn
nhiên liệu dầu mỏ đang dần cạn kiệt. Theo dự báo của các nhà khoa học trên thế
giới cho biết nguồn cung dầu mỏ có thể đáp ứng nhu cầu của thế giới trong khoảng

40  50 năm nữa nếu không phát hiện thêm các nguồn dầu mỏ mới. Việt Nam là
một quốc gia đang phát triển, nhu cầu vận chuyển bằng ô tô ngày càng tăng dẫn
tới nhu cầu trong nước về nhiên liệu ngày càng tăng lên.
Theo kết quả điều tra của tập đoàn dầu mỏ BP của Anh quốc, trữ lượng dầu
mỏ trên trái đất đã khảo sát được khoảng 150 tỷ tấn. Năm 2003, lượng dầu mỏ

trên trái đất tiêu thụ khoảng 3,6 tỷ tấn. Nếu không được phát hiện thêm những
nguồn mới thì lượng dầu mỏ trên thế giới chỉ đủ dùng khoảng 40 năm nữa. Theo
các chuyên gia kinh tế trên thế giới, trong vòng 15 năm nữa, lượng dầu mỏ cung
cấp cho thị trường vẫn luôn thấp hơn nhu cầu, chính vì nhu cầu về xăng dầu và
khí đốt khơng thấy điểm dừng như vậy đã đẩy mạnh giá dầu trên thế giới. Mặt
khác, nguồn năng lượng trên thế giới chủ yếu lại tập trung ở các khu vực ln có
tình hình bất ổn như Trung Đông (chiếm 2/3 trữ lượng dầu mỏ trên thế giới),
Trung Á, Trung Phi… Mỗi một đợt khủng hoảng giá dầu lại làm lay chuyển các
nền kinh tế thế giới, đặc biệt là các nước đang phát triển như Việt Nam [8].
Bên cạnh đó động cơ ơ tơ sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch từ
dầu mỏ phát thải ra môi trường các chất độc hại gây ra ô nhiễm môi trường, phá
hủy tầng ô zôn, ảnh hưởng đến sức khỏe con người.
Vì vậy việc tìm ra nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân thiện
với môi trường là rất quan trọng và thiết thực. Song hành cùng với việc sử dụng
nhiên liệu truyền thống trên động cơ ô tô, các nhà khoa học trong và ngoài nước


6

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

Hình 1.1. Kịch bản đa dạng hóa nhiên liệu ở châu Âu [8]
Theo kịch bản đa dạng hóa này, các quốc gia châu Âu đưa ra mục tiêu dần

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


7

- Dễ dàng hình thành hỗn hợp khơng khí - nhiên liệu; dễ cháy và cháy
không

tạo tro;
- Trọng lượng nhẹ và có mật độ năng lượng lớn;
- Dễ cung cấp cho phương tiện;
- Có thể hoạt động tức thì;
- An toàn trong tiêu thụ và tiện lợi trong vận chuyển.
Với các yêu cầu ở trên, nhiên liệu lỏng được cho là loại nhiên liệu phù
hợp nhất nhờ trọng lượng nhẹ, mật độ năng lượng lớn, dễ hình thành hỗn hợp
với khơng khí và hỗn hợp khơng khí - nhiên liệu lỏng khi cháy hầu như không
tạo ra tro. Nhiên liệu lỏng được sử dụng cho động cơ đốt trong bao gồm các hợp
chất hydrocacbon (H-C), chủ yếu được chế biến từ dầu thơ như xăng và diesel.
Nhiên liệu khí do có mật độ năng lượng tính theo thể tích thấp nên ít được
sử dụng cho các động cơ đốt trong lắp trên phương tiện di động. Hiện nay, nhiên
liệu khí đang được dùng làm nhiên liệu thay thế ở dạng nén hoặc hóa lỏng. Các
loại khí được dùng cho động cơ đốt trong ở dạng nén hoặc hóa lỏng để tăng mật

độ năng lượng, bao gồm khí thiên nhiên (NG), khí mêtan, êtan, prơpan, khí dầu
mỏ hóa lỏng (LPG), khí tổng hợp (syngas), khí hyđrơ...
Nhiên liệu rắn khơng được sử dụng trực tiếp cho động cơ đốt trong do quá
trình đốt cháy sinh ra nhiều tro, tuy nhiên nó có thể sử dụng gián tiếp thơng qua
biện pháp khí hóa để tạo thành khí tổng hợp hoặc hóa lỏng thơng qua q trình
khí hóa kết hợp với q trình tổng hợp Fisher Tropsch (tổng hợp FT) [8].
1.3. Nhiên liệu thay thế
1.3.1. Phân loại
Nhiên liệu thay thế có thể được phân thành 2 nhóm. Nhóm các nhiên liệu có
nguồn gốc hóa thạch gồm: Ethanol từ nguồn hóa thạch, khí thiên nhiên (NG Natural Gas), khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG - Liquefied Petroleum Gas), methanol, hy
đrơ, khí hóa lỏng (GTL - Gas To Liquid), than đá hóa lỏng (CTL - Coal To Liquid)
và Dimethyl Ether (DME). Nhóm các loại nhiên liệu có nguồn gốc tái tạo gồm: Khí
sinh học (biogas), ethanol sinh học (bio-ethanol), methanol sinh học


8

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

Nguồn gốc

Hóa thạch

Tái tạo

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


9

hiện đang là loại nhiên liệu được sử dụng nhiều nhất để thay thế cho nhiên liệu
diesel. Bio-diesel có thể sử dụng ở dạng nguyên chất (B100) hoặc trộn với nhiên
liệu diesel với một tỷ lệ nhất định. Ngoài ra, dầu thực vật và DME cũng được
nhiều nước sử dụng cho động cơ cháy do nén. Dầu thực vật có độ nhớt lớn nên
cần phải lưu ý cải thiện (cách đơn giản nhất là sấy nóng nhiên liệu để giảm độ
nhớt) đồng thời người sử dụng còn phải quan tâm đến vấn đề kết cặn trong
buồng cháy và trong hệ thống cung cấp nhiên liệu, vấn đề độ bền ô xy hóa của
nhiên liệu dầu thực vật... Nhiên liệu DME hiện chưa thực sự phổ biến, tuy nhiên
triển vọng sản xuất DME từ nguồn tái tạo là rất lớn. Độ nhớt nhỏ của DME cũng
là một yếu tố cần lưu tâm nhằm đảm bảo được tính năng bơi trơn cho động cơ.
Việc sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel và một loại nhiên liệu khí cũng đang
nhận được quan tâm của nhiều nước [9]. Các loại động cơ sử dụng lưỡng nhiên
liệu diesel/LPG, diesel/CNG hay các loại động cơ đa nhiên liệu hiện nay đã
được sản xuất, hoán cải và sử dụng khá nhiều.

1.3.2. Giới thiệu về nhiên liệu sinh học
Các loại nhiên liệu sinh học (nhiên liệu có nguồn gốc tái tạo) được chia
thành các thế hệ như: nhiên liệu sinh học thế hệ I, II và III. Các loại nhiên liệu
sinh học có thể trộn với nhiên liệu khống và đốt cháy trong động cơ đốt trong
và phân phối qua hệ thống hạ tầng sẵn có hoặc được sử dụng trên các phương
tiện có điều chỉnh thích nghi nhỏ đối với động cơ đốt trong.
Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ I là loại nhiên liệu đang được thương mại
phổ biến trên thị trường thế giới hiện nay như ethanol làm từ cây mía hay từ tinh
bột (ngơ, sắn...), diesel sinh học (bio-diesel) và dầu thực vật nguyên chất (PPO pure plant oil). Nguồn nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất là
cây mía, tinh bột, các loại hạt chứa dầu (cải dầu, hướng dương, đậu nành, cọ...)
hoặc mỡ động vật. Các loại nhiên liệu này thường là thực phẩm hoặc phụ phẩm
của ngành thực phẩm.


10

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



Cồn sinh học

Cồn sinh học có cơng thức hóa học là C nH2n+1OH được xem là nhiên liệu
phù hợp nhất để sử dụng cho động cơ đánh lửa cưỡng bức nhờ có trị số octane
cao và tính chất vật lý, hóa học tương tự như xăng. Hiện nay, cồn tồn tại ở bốn
dạng là methanol (CH3OH), ethanol (C2H5OH), propanol (C3H7OH) và butanol
(C4H9OH), tất cả đều là chất lỏng không màu, tuy nhiên methanol, propanol và
butanol hiện ít được sử dụng cho phương tiện vận tải do giá thành sản xuất cao.
Ethanol được sử dụng rộng rãi hơn cả cho các phương tiện vận tải nhờ nguồn
nguyên liệu dễ phát triển, giá thành sản xuất thấp và khả năng tương thích tốt
với động cơ.
Ethanol chủ yếu được sản xuất từ quá trình lên men các sản phẩm có đường
như mía, củ cải đường..., các sản phẩm ngũ cố như ngô, khoai, sắn... (thế hệ I); từ
phế phẩm nông, lâm nghiệp (thế hệ II) và từ vi tảo (thế hệ III). Đối với thế hệ II,
phế phẩm nông, lâm nghiệp cần phải trải qua quá trình tiền chế, lên men thủy phân
để loại bỏ chất gỗ (lignin) trong nguyên liệu, sản phẩm tạo thành là glucose. Sau đó
quy trình sản xuất tạo thành ethanol tương tự với quá trình sản xuất ethanol thế hệ
I. Đối với ethanol thế hệ III, vi tảo sau khi thu hoạch được nghiền trước khi


11

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



Dầu thực vật và bio-diesel

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



Dầu nhiệt phân và dầu thực vật qua xử lý hy đrô (HVO)

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

12

1.3.3. Các loại nhiên liệu khác
Ngoài các loại nhiên liệu sinh học được mô tả ở trên, các loại nhiên liệu
khí, khí tổng hợp và nhiên liệu lỏng tổng hợp cũng đã và đang được sử dụng
hoặc đang trong quá trình nghiên cứu sử dụng cho động cơ đốt trong [8].



Khí thiên nhiên và khí sinh học biogas

Khí thiên nhiên thường được sử dụng làm chất đốt để sưởi ấm, sản xuất điện
năng và phục vụ cho công nghiệp. Thành phần chính của khí thiên nhiên là mêtan,
CH4 (80 ÷ 90%), còn lại là các thành phần khác như C 2H6, C3H8, C4H10...

Khí thiên nhiên có tính chất phù hợp để sử dụng trên động cơ, đặc biệt là động
cơ đánh lửa cưỡng bức. Nhằm nâng cao mật độ năng lượng, khí thiên nhiên
thường được nén (CNG, với áp suất nén 200 ÷ 250 bar trong điều kiện nhiệt độ
mơi trường) hoặc hóa lỏng (LNG, ở nhiệt độ -127 0C trong điều kiện áp suất môi
trường và ở nhiệt độ -1610C khi áp suất là 6 ÷ 8 bar).
Khí sinh học biogas là hỗn hợp khí mêtan và một số khí khác phát sinh từ
sự phân hủy các vật chất hữu cơ. Thành phần chính của biogas là CH 4 (50 ÷
60%) và CO2 ( 30%) cịn lại là các chất khác như hơi nước N 2, O2, H2S, CO...
được thủy phân trong mơi trường yếm khí, xúc tác nhờ nhiệt độ từ 20 ÷ 40 0C.
Biogas có thể sử dụng cho động cơ đốt trong nếu được làm sạch các thành phần
có ảnh hưởng lớn dến động cơ như H2S và hơi nước, cũng như nâng cao hàm
lượng mêtan trong hỗn hợp nhằm nâng cao nhiệt trị của nhiên liệu. Việc sử dụng
khí biogas cho phương tiện vận tải gặp phải khơng ít khó khăn do hàm lượng
của thành phần mêtan khá thấp và thấp hơn nhiều so với khí thiên nhiên.



Khí dầu mỏ hóa lỏng

LPG là sản phẩm của q trình hóa lỏng khí đồng hành thu được trong
quá trình chưng cất dầu mỏ bao gồm hai thành phần chính là propan, C 3H8 và
butan, C4H10. LPG có thể sử dụng trực tiếp thay thế cho xăng trên động cơ đánh
lửa cưỡng bức hoặc cũng có thể sử dụng trên động cơ cháy do nén.
Giá trị áp suất hóa lỏng LPG phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp: khoảng
0

0

2,2 bar đối với C4H10 tại 20 C, và khoảng 22 bar đối với C3H8 tại 55 C. Thông


13

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



Hyđrơ và khí giàu hyđrơ

Hyđrơ có thể được sản xuất từ nguồn hyđrơ các bon hóa thạch, từ nước và từ
sinh khối bằng các phương pháp như reforming hơi nước, ơ xy hóa khơng hồn
tồn, nhiệt phân khí thiên nhiên, thu hồi từ q trình reforming và điện phân nước.
Có ba phương pháp đã được áp dụng để tồn trữ hyđrơ là: Tích trữ ở thể lỏng
0

ở -235 C trong bình đơng lạnh; dưới dạng hyđrua kim loại như hyđrua sắt - titan
FeTiH2 hoặc dạng khí nén ở áp suất từ 20 đến 70 MPa. Hyđrua kim loại giải phóng

hyđrơ khi được nung nóng bằng nguồn nhiệt như hệ thống xả của ơ tô. Phương
pháp tồn trữ hyđrô phổ biến nhất là ở thể lỏng và hyđrua kim loại, cả hai phương
pháp này đều có khả năng lưu trữ tương đương về mặt thể tích và đều cần thể
tích gấp 10 lần so với thùng chứa 5 galông xăng.
Hyđrô hiện được cho là nguồn tiềm năng làm pin nhiên liệu để sản sinh
điện năng. Mặc dù cịn có những vấn đề khó khăn về quá trình tồn trữ và giá
thành, nhưng với nhiệt trị lớn (theo khối lượng) và nguồn nguyên liệu được xem
là vô hạn nên hiện tại hyđrô được xem là "nhiên liệu của tương lai".
Khí giàu hyđrơ là hỗn hợp của khí hyđrơ và một số khí khác như ơxy (trong
khí HHO), CO (trong khí tổng hợp) cùng một số tạp chất khác. Khí giàu hyđrơ
thường được sử dụng trên động cơ như là một phụ gia nhiên liệu bằng cách bổ sung
khí vào đường nạp nhằm cải thiện quá trình cháy và giảm phát thải ơ nhiễm.



Dimethyl Ether - DME

Dimethyl Ether (DME), cơng thức hóa học là CH 3-O-CH3, là loại nhiên
liệu có thề làm khí đốt và có khả năng thay thế cho diesel trên động cơ cháy do
nén nhờ có trị số xetan cao. DME có thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác
nhau như nhiên liệu gốc hóa thạch, than đá, khí thiên nhiên và sinh khối.



Than hóa lỏng và khí tổng hợp hóa lỏng

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


14

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

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


15

các loại nhiên liệu nhất định (tạm gọi là các loại nhiên liệu quy định). Khi nhiên

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

16

(thấp hơn khoảng 400 0C đối với gang và 300 0C đối với hợp kim nhôm). Bề
mặt gương xi lanh phải được giữ thấp hơn 180 0C để ngăn chặn phá hỏng màng
dầu bôi trơn. Bugi đánh lửa và xu páp phải được làm mát để tránh hiện tượng
đánh lửa sớm và tiếng gõ động cơ. Chính vì vậy, giải quyết vấn đề trao đổi nhiệt
là một nhiệm vụ quan trọng trong thiết kế động cơ.
Trao đổi nhiệt ảnh hưởng tới hiệu suất, công suất động cơ và sự phát thải.
Đối với một lượng nhiên liệu đưa vào xi lanh, trao đổi nhiệt đối với thành vách
buồng cháy lớn sẽ làm giảm nhiệt độ và áp suất trung bình của khí cháy và sẽ
làm giảm cơng chỉ thị của chu trình. Do vậy cơng suất và hiệu suất chỉ thị bị ảnh
hưởng bởi lượng trao đổi nhiệt của động cơ.
1.5.2. Các mơ hình truyền nhiệt
Có ba dạng trao đổi nhiệt cơ bản, đó là:
- Trao đổi nhiệt dẫn nhiệt.
-

Trao đổi nhiệt đối lưu (đối lưu tự nhiên, đối lưu cưỡng bức, đối lưu trong

môi trường một pha, đối lưu trong môi trường biến đổi pha).
- Trao đổi nhiệt bức xạ.
1.5.2.1. Trao đổi nhiệt dẫn nhiệt
Dẫn nhiệt được thực hiện bằng chuyển động nhiệt của những phần tử vi
mô. Trong kim loại dẫn nhiệt được thực hiện bằng chuyển động của các điện tử
tự do, trong chất lỏng và chất rắn dẫn nhiệt được thực hiện bằng chuyển động
nhiệt của nguyên tử, phân tử của những phần vật chất cạnh nhau, trong chất khí
dẫn nhiệt được thực hiện bằng truyền năng lượng khi các phần tử khí va chạm
nhau.
Fourier đã giả thiết dịng nhiệt như dịng chất chảy khơng có trọng lượng
và hình thành định luật Fourier [2]:

 T
q = - VL.gradT = - VL.  n [W/m2]

Q = q.F = - VL.F.
Dòng nhiệt tỉ lệ với gradient nhiệt độ và diện tích bề mặt đẳng nhiệt.