Nghiên cứu sự ảnh hưởng của kim phun đến công suất động cơ diesel

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
---  ---

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA KIM PHUN ĐẾN
CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ DIESEL

SVTH: TRẦN NHẬT PHI
MSSV: 15145315
SVTH: HÀ QUỐC MINH PHƯƠNG
MSSV: 15145322
GVHD: Th.S ĐINH TẤN NGỌC

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2019


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
---  ---

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô
Tên đề tài

NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA KIM PHUN ĐẾN
CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ DIESEL
SVTH: TRẦN NHẬT PHI
MSSV: 15145315

SVTH: HÀ QUỐC MINH PHƯƠNG
MSSV: 15145322
GVHD: Th.S ĐINH TẤN NGỌC

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2019


TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

TP. Hồ Chí Minh, ngày…..tháng.… năm ……

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:

1. TRẦN NHẬT PHI

MSSV: 15145315

2. HÀ QUỐC MINH PHƯƠNG

MSSV: 15145322

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ Mã ngành đào tạo: 52510205
Hệ đào tạo: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY

Khóa:

Mã hệ đào tạo: 52510205D

15

Lớp: 151451

1. Tên đề tài: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của kim phun đến công suất động cơ Diesel
2. Nhiệm vụ đề tài
-

Nghiên cứu sự ảnh hưởng của đường kính lỗ tia phun đến cơng suất động cơ Diesel

-

Thực hiện mô phỏng trên phần mềm AVL – Fire

-

Đánh giá các kết quả mô phỏng và so sánh với dộng cơ Kia JD – K3500

4. Sản phẩm của đề tài
-

01 tập thuyết minh.

-

01 đĩa CD.

5. Ngày giao nhiệm vụ đề tài: 4/2019.
6. Ngày hồn thành nhiệm vụ: 7/2019.
TRƯỞNG BỘ MƠN

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
Tên đề tài: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của kim phun đến công suất động cơ Diesel
Họ và tên sinh viên:
TRẦN NHẬT PHI
MSSV: 15145315
HÀ QUỐC MINH PHƯƠNG

MSSV: 15145322

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ơ tơ
I. NHẬN XÉT
1. Về hình thức trình bày & tính hợp lý của cấu trúc đề tài:
...............................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
2. Về nội dung (đánh giá chất lượng đề tài, ưu/khuyết điểm và giá trị thực tiễn)
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................

...............................................................................................................................................
II. NHỮNG NỘI DUNG CẦN ĐIỀU CHỈNH, BỔ SUNG
...............................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
III. ĐỀ NGHỊ VÀ ĐÁNH GIÁ
1. Đề nghị (cho phép bảo vệ hay không): .................................................................................
2. Điểm đánh giá (theo thang điểm 10): ...................................................................................
Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20…
Giảng viên hướng dẫn
(Ký & ghi rõ họ tên)


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN
Tên đề tài: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của kim phun đến công suất động cơ Diesel
Họ và tên sinh viên:

TRẦN NHẬT PHI

MSSV: 15145315

HÀ QUỐC MINH PHƯƠNG

MSSV: 15145322

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ơ tơ

I. NHẬN XÉT
1. Về hình thức trình bày & tính hợp lý của cấu trúc đề tài:
...............................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
2. Về nội dung (đánh giá chất lượng đề tài, ưu/khuyết điểm và giá trị thực tiễn)
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
II. NHỮNG NỘI DUNG CẦN ĐIỀU CHỈNH, BỔ SUNG
...............................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
III. ĐỀ NGHỊ VÀ ĐÁNH GIÁ
1. Đề nghị (cho phép bảo vệ hay không): .................................................................................
2. Điểm đánh giá (theo thang điểm 10): ...................................................................................
Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20…
Giảng viên hướng dẫn
(Ký & ghi rõ họ tên)


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

XÁC NHẬN HỒN THÀNH ĐỒ ÁN
Tên đề tài: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của kim phun đến công suất động cơ Diesel
Họ và tên Sinh viên:

TRẦN NHẬT PHI

MSSV: 15145315

HÀ QUỐC MINH PHƯƠNG

MSSV: 15145322

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô
Sau khi tiếp thu và điều chỉnh theo góp ý của Giảng viên hướng dẫn, Giảng viên phản
biện và các thành viên trong Hội đồng bảo vệ. Đồ án tốt nghiệp đã được hoàn chỉnh đúng
theo yêu cầu về nội dung và hình thức.
Chủ tịch Hội đồng:

___________________

_________________

Giảng viên hướng dẫn:_ ___________________

_________________

Giảng viên phản biện: _ ___________________

_________________

TP. HCM, ngày… tháng…. năm….


LỜI CẢM ƠN
Sau 4 năm học ngành cơ khí động lực hệ Đại học chính quy tại Trường Đại học Sư

phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Nhóm thực hiện đề tài này, những sinh viên của
khoa Cơ Khí Động Lực đã được sự dìu dắt và hướng dẫn tận tình của q thầy cơ của
trường đã và đang từng bước hồn thiện mình hơn đề trở thành những kỹ sư – thầy giáo,
đem bàn tay và khối óc của mình cống hiến cho xã hội. Cho đến hơm nay, với đồ án tốt
nghiệp này cũng đánh dấu một cột mốc lớn trên bước đường trưởng thành của nhóm thực
hiện đề tài. Những sinh viên ngành cơ khí động lực khóa 2015 sắp bước ra khỏi cánh
cổng trường Đại học để bước vào một cánh cổng lớn hơn, nhiều thử thách hơn. Đó là
cánh cửa của cuộc đời, cơng việc trong tương lai sắp tới, mọi sự thành công trên bước
đường sắp tới đều nhờ cơng lao dìu dắt dạy dỗ của q thầy cơ. Xin gửi tới q thầy cơ sự
kính trọng và lịng biết ơn sâu sắc của nhóm thực hiện đề tài.
Nhóm thực hiện đề tài xin chân thành cảm ơn thầy Đinh Tấn Ngọc đã cung cấp tài
liệu, đồng thời thầy đã tận tình hướng dẫn, đồng hành trong suốt thời gian thực hiện đồ
án, chỉ dạy trong suốt quá trình học tập cũng như trong q trình thực hiện đề tài để nhóm
thực hiện hồn tất đề tài này.
Xin chân thành cảm ơn q thầy cô của trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật
Tp.HCM. Đặc biệt là quý thầy cô trong Bộ môn Động cơ, khoa Cơ khí động lực đã tận
tình chỉ dẫn, trực tiếp giúp đỡ và tạo điều kiện cho nhóm làm việc trong mơi trường rất
tốt trong suốt q trình thực hiện đề tài này.
Cảm ơn sự đóng góp ý kiến của các bạn sinh viên và tất cả các bạn trong khoa Cơ
Khí Động Lực để nhóm chúng tơi hồn thành tốt đề tài này.
Nhóm sinh viên thực hiện đề tài
Trần Nhật Phi – Hà Quốc Minh Phương

i


TÓM TẮT
1. Vấn đề nghiên cứu
-

Động cơ Kia - JD K3500

-

Lý thuyết tính tốn động lực học (CFD)

-

Lý thuyết phun nhiên liệu, cháy và hình thành khí xả trong động cơ

-

Phần mềm mô phỏng AVL Fire

2. Các hướng tiếp cận
-

Tham khảo đồ án thu thập dữ liệu các khóa trước, góp ý của thầy hướng dẫn, sách
và các nguồn tài liệu trong và ngoài nước để đưa ra phương án thực hiện.

3. Cách giải quyết vấn đề
-

Thiết lập mô phỏng bằng phần mềm AVL FIRE.

-

Tìm kiếm tài liệu trên Internet, tham khảo ý kiến của giảng viên hướng dẫn thầy
Đinh Tấn Ngọc.

4. Kết quả thu được
-

So sánh ưu nhược được các đường kính lỗ tia phun nhiên liệu, và chọn được
đường kính phù hợp với động cơ mơ phỏng.

-

Tìm được cách nâng cao hiệu suất động cơ Diesel thông qua mô phỏng.

ii


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................................... i
TÓM TẮT ............................................................................................................................ii
MỤC LỤC ......................................................................................................................... iii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ..................................................................... vi
DANH MỤC CÁC HÌNH ..................................................................................................vii
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................. x
Chương 1. TỔNG QUAN .................................................................................................... 1
1.1. Mục tiêu nghiên cứu ..................................................................................................... 1
1.2. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu.............................................................. 1
1.2.1. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................................ 1
1.2.2. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................... 1
1.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước ................................................................... 1
1.3.1. Trong nước ............................................................................................................ 1
1.3.2. Ngoài nước ............................................................................................................ 2
1.4. Nội dung nghiên cứu ..................................................................................................... 4
Chương 2. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT ........................................................................... 5

2.1. Sơ lược về sự phát triển của động cơ Diesel................................................................. 5
2.2. Lý thuyết phun nhiên liệu và phân tích chùm tia phun................................................. 6
2.2.1. Lý thuyết phun nhiên liệu ...................................................................................... 6
2.2.1.1. Lý thuyết quá trình phun nhiên liệu trong động cơ Diesel ................................. 6
2.2.1.2. Ảnh hưởng của đường kính lỗ tia phun trong q trình mơ phỏng phun nhiên
liệu trong AVL Fire ......................................................................................................... 8
2.2.2. Ảnh hưởng của đường kính lỗ tia phun đến chùm tia phun ................................ 14
2.2.2.1. Tổng quát về chùm tia phun ............................................................................. 14
2.2.2.2. Quá trình phân rã của chùm tia nhiên liệu........................................................ 16
2.2.2.3. Ảnh hưởng của đường kính lỗ tia phun đến sự phân rã tia phun ..................... 17
2.3. Q trình hình thành khí xả ........................................................................................ 18
2.3.1. Mơ hình sự hình thành NOx trong buồng đốt động cơ ....................................... 22
2.3.2. Mơ hình q trình oxy hóa và hình thành muội than .......................................... 23
iii


2.4. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................ 23
Chương 3. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH PHUN NHIÊN LIỆU TRÊN ĐỘNG CƠ KIA –
JD K3500 ........................................................................................................................... 24
3.1. Thông số kết cấu động cơ Kia - JD K3500 ................................................................. 24
3.1.1. Thông số động cơ Kia - JD K3500 ...................................................................... 24
3.1.2. Thông số biên dạng piston động cơ Kia - JD K3500 .......................................... 25
3.2. Thiết lập các thông số cơ bản trong phần mềm AVL Fire công cụ ESE Diesel ........ 26
3.2.1. Thông tin chung về động cơ (General Engine Data) ........................................... 27
3.2.2. Phác thảo hình dạng đỉnh piston, kim phun nhiên liệu (Sketcher) ...................... 29
3.2.3. Chia lưới (Mesher) .............................................................................................. 32
3.2.4. Thiết lập các tham số mơ hình hóa (Simulation Parameters) .............................. 33
Chương 4. ĐÁNH GIÁ CÁC KẾT QUẢ MƠ PHỎNG .................................................... 52
4.1. Kết quả mơ phỏng trên phần mềm mô phỏng AVL Fire ............................................ 52
4.2. Đánh giá sự ảnh hưởng của đường kính lỗ tia phun đến động cơ .............................. 54

4.2.1. Đánh giá sự ảnh hưởng của đường kính lỗ tia phun đến cơng suất và mô men
động cơ. ......................................................................................................................... 55
4.2.2. Sự ảnh hưởng của đường kính lỗ tia phun đến suất tiêu hao nhiên liệu. ............ 58
4.2.3. Đánh giá sự ảnh hưởng của đường kính lỗ tia phun đến phát thải khí xả. .......... 59
4.2.3.1. Đánh giá sự ảnh hưởng của đường kính lỗ tia phun đến phát thải NOx. ......... 59
4.2.3.2. Đánh giá sự ảnh hưởng của đường kính lỗ tia phun đến phát thải muội than. . 65
4.3. Kết luận ....................................................................................................................... 71
Chương 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................................... 74
5.1. Kết luận ....................................................................................................................... 74
5.2. Kiến nghị ..................................................................................................................... 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 75
PHỤ LỤC A ....................................................................................................................... 77
GIỚI THIỆU PHẦN MỀM AVL FIRE ............................................................................. 77
1.

Khái quát về phần mềm AVL Fire ....................................................................... 77

2.

Công cụ ESE Diesel ............................................................................................. 78

3.

Kết luận ................................................................................................................ 79

PHỤ LỤC B ....................................................................................................................... 81
iv


BẢNG KẾT QUẢ .............................................................................................................. 81

1.

Thông số động cơ tại tốc độ động cơ 600 vịng/phút ........................................... 81

2.

Thơng số động cơ tại tốc độ động cơ 1200 vịng/phút ......................................... 81

3.

Thơng số động cơ tại tốc độ động cơ 1800 vòng/phút ......................................... 82

4.

Thông số động cơ tại tốc độ động cơ 2400 vịng/phút ......................................... 82

5.

Thơng số động cơ tại tốc độ động cơ 3000 vịng/phút ......................................... 83

6.

Thơng số động cơ tại tốc độ động cơ 3600 vịng/phút ......................................... 83

7.

Thơng số động cơ tại tốc độ động cơ 4200 vịng/phút ......................................... 84

8.

Thơng số động cơ tại tốc độ động cơ 5000 vòng/phút ......................................... 84

v


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
Từ viết
tắt
A
Ac
Aeff
AFRStoic

Chú thích
Diện tích dịng
Diện tích lỗ tia phun tại điểm c
Tiết diện thực tế tại vị trí phun
Tỉ số Stoich

Từ viết
tắt
N2
NOx
p1

Chú thích
Ni tơ
Oxit nitơ
Áp suất đầu vào lỗ tia phun

p2

Áp suất đầu ra lỗ tia phun

pc

Áp suất tại điểm c

h

Ageo
CA
Ca
Cc
Cd
CFD
CO
CO2
Cv
D
Deff
Dn
HC
K
Kcrit
L
Lb
M (dot)
m (dot)
Ma

Mf

Tiết diện lý thuyết (thiết kế) tại
vị trí phun
Crank angle (góc quay trục
khuỷu)
Hệ số liên kết diện tích lỗ tia
phun thực tế và diện tích lỗ tia
phun tồn phun khơng có lớp biên
Hệ số co
Hệ số phun
Computational Fluid Dynamics
(mô phỏng động lực học chất
lỏng)
Carbon mono oxit
Cacbon dioxit ( Cacbonic )
Hệ số vận tốc giữa vận tốc có ích
và lý thuyết
Đường kính thiết kế lỗ tia phun
đường kính lỗ tia phun thực tế
đường kính lỗ tia phun
Hydrocacbon (HC)
Cường độ xâm thực
Điểm tới hạn xâm thực
Chiều dài lỗ tia phun

PM

Vật chất hạt

pvapor

Áp suất hóa hơi nhiên liệu

R
S

Bán kính đầu vào lỗ tia phun
Chiều dài xun thấu tia phun

µs

Micro giây

SO2
tb
u
uc
uef
Ueff
Ugeo
uth
Vinj
ΔP

Chiều dài phân rã.

ρ1

Động lượng

Thơng lượng khối
Khối lượng khơng khí nạp
Khối lượng nhiên liệu phun

ρ
𝛌
𝜌a
𝜌l

Sulfur dioxide
Thời gian phân rã
Vận tốc
Vận tốc dòng chảy tại điểm c
Vận tốc thực tế
Vận tốc phun thực tế
Vận tốc phun lý thuyết
Vận tốc tổn thất lý thuyết
Tốc độ tia phun
Áp suất phun có ích
Mật độ lý tưởng khơng có lớp
biên
Mật độ
Lamđa
Mật độ của khơng khí
Mật độ của nhiên liệu lỏng

vi


DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1. Kim phun nhiên liệu loại đa lỗ tia ...................................................................6
Hình 2.2. Đặc tính phun nhiên liệu [4] ............................................................................7
Hình 2.3. Sự thay đổi áp suất trong xi lanh khi thay đổi đường kính lỗ tia phun nhiên
liệu [4] ..................................................................................................................................7
Hình 2.4. Tổng quan về các quá trình xảy ra trong kim phun nhiên liệu [12] ................8
Hình 2.5. Vị trí xảy ra xâm thực trong kim phun nhiên liệu [14] ...................................9
Hình 2.6. Hiện tượng xâm thực xả ra trong lỗ tia phun nhiên liệu [14] ........................10
Hình 2.7. Ảnh hưởng của hệ số phun và hệ số K đến hiện tượng xâm thực [14] .........12
Hình 2.8. Ảnh hưởng của tỷ số L/D đến vận tốc phun nhiên liệu [18] .........................13
Hình 2.9. Ảnh hưởng của tỷ số L/D đến đường kính lỗ tia phun nhiên liệu [18] .........14
Hình 2.10. Sơ đồ tia phun nhiên liệu trong động cơ Diesel [13]...................................15
Hình 2.11. Cấu trúc chùm tia phun nhiên liệu [20] .......................................................16
Hình 2.12. Mức phát thải hợp pháp của NOx và PM cho xe tải nặng theo tiêu chuẩn
khí thải châu Âu (Tiêu chuẩn Euro) [8] .............................................................................20
Hình 2.13. Vùng hình thành muội và NOx theo nhiệt độ và tỷ lệ tương đương khơng
khí nhiên liệu (1/𝛌) [10] .....................................................................................................22
Hình 3.1. Động cơ Diesel KIA - JD K3500 ..................................................................24
Hình 3.2. Piston của động cơ Kia - JD K3500 ..............................................................25
Hình 3.3. Biên dạng thiết kế piston của động cơ Kia - JD K3500 [9] ..........................25
Hình 3.4. Biên dạng thiết kế piston của động cơ Kia - JD K3500 sau khi thiết lập......26
Hình 3.5. Quy ước góc quay trục khuỷu trong phần mềm AVL Fire [18] ....................26
Hình 3.6. Phần được chia lưới mô phỏng đối với kim phun có 4 lỗ tia phun [18] .......27
Hình 3.7. Các thơng số chung về động cơ .....................................................................28
Hình 3.8. Các thơng số về chuyển dịch piston ..............................................................28
Hình 3.9. Mẫu piston dạng ω trong AVL Fire [18] ......................................................30
Hình 3.10. Hình dạng hình học piston động cơ Kia - JD K3500 ..................................30
Hình 3.11. Mẫu hình học mẫu kim phun trong AVL Fire.............................................31
Hình 3.12. Thơng số hình học của piston ......................................................................31
Hình 3.13. Thơng số hình học của kim phun ................................................................31
vii

Hình 3.14. Các khối trong mơ hình piston ....................................................................33
Hình 3.15. Mơ hình piston dộng cơ Kia - JD K3500 sau khi chia lưới.........................33
Hình 3.16. Thiết lập chế độ mơ phỏng ..........................................................................34
Hình 3.17. Thiết lập các mơ đun tính tốn ...................................................................35
Hình 3.18. Tổng quan về các loại điều kiện biên [18]. .................................................36
Hình 3.19. Vị trí áp dụng điều kiện biên đối xứng [18]. ...............................................36
Hình 3.20. Vị trí mặt di chuyển đoạn nhiệt [18]. ..........................................................37
Hình 3.21. Các lựa chọn cho điều kiện biên theo chu kỳ [18]. .....................................37
Hình 3.22. Thiết lập điều kiện biên Piston ....................................................................38
Hình 3.23. Thiết lập điều kiện biên cho xi lanh ............................................................38
Hình 3.24. Thiết lập điều kiện biên của trục .................................................................39
Hình 3.25. Thiết lập điều kiện biên đầu mặt chuyển .....................................................39
Hình 3.26. Thiết lập điều kiện biên phần thể tích bù ....................................................40
Hình 3.27. Thiết lập điều kiện biên đầu nắp xi lanh .....................................................41
Hình 3.28. Thiết lập thuộc tính nhiên liệu (khơng khí) .................................................42
Hình 3.29. Thiết lập điều kiện ban đầu .........................................................................42
Hình 3.30. Thiết lập các phương trình được kích hoạt tính tốn...................................44
Hình 3.31. Thiết lập tần số giá trị đầu ra .......................................................................45
Hình 3.32. Khởi động các mơ đun tính tốn kết quả dạng 3 chiều ...............................45
Hình 3.33. Tạo file khởi động lại ..................................................................................46
Hình 3.34. Tạo file sao lưu ............................................................................................47
Hình 3.35. Thiết lập vận chuyển nhiên liệu...................................................................47
Hình 3.36. Khởi chạy đầu ra mở rộng ...........................................................................47
Hình 3.37. Thiết lập mơ hình cháy ................................................................................48
Hình 3.38. Thiết lập mơ hình khí xả NO .......................................................................48
Hình 3.39. Thiết lập mơ hình khí xả muội than ............................................................48
Hình 3.40. Thiết lập nhiên liệu đầu vào ........................................................................49
Hình 3.41. Thiết lập đối tượng mơ phỏng .....................................................................49

Hình 3.42. Thiết lập dữ liệu chung cho kim phun .........................................................50
Hình 3.43. Thiết lập kích thước hạt nhiên liệu ..............................................................50
Hình 3.44. Thiết lập dữ liệu hình học kim phun ...........................................................51
viii


Hình 4.1.Các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật chính trên ô tô [18]. ..........................................54
Hình 4.2. Biểu đồ công suất – mơ men .........................................................................55
Hình 4.3. Biểu đồ suất tiêu hao nhiên liệu ....................................................................58
Hình 4.4. Tỷ lệ NOx tại tốc độ động cơ 600 (vịng/phút) .............................................60
Hình 4.5. Tỷ lệ NOx tại tốc độ động cơ 600 (vòng/phút) bỏ qua D = 0.2 (mm) ..........60
Hình 4.6. Tỷ lệ NOx tại tốc độ động cơ 1200 (vịng/phút) ...........................................61
Hình 4.7. Tỷ lệ NOx tại tốc độ động cơ 1800 (vịng/phút) ...........................................62
Hình 4.8. Tỷ lệ NOx tại tốc độ động cơ 2400 (vịng/phút) ...........................................62
Hình 4.9. Tỷ lệ NOx tại tốc độ động cơ 3000 (vịng/phút) ...........................................62
Hình 4.10. Tỷ lệ NOx tại tốc độ động cơ 3600 (vịng/phút) .........................................63
Hình 4.11. Tỷ lệ NOx tại tốc độ động cơ 4200 (vịng/phút) .........................................63
Hình 4.12. Tỷ lệ NOx tại tốc độ động cơ 5000 (vịng/phút) .........................................63
Hình 4.13. Biểu đồ tỷ lệ khối lượng NOx .....................................................................64
Hình 4.14. Tỷ lệ muội than tại tốc độ động cơ 600 (vịng/phút) ...................................66
Hình 4.15. Tỷ lệ muội than tại tốc độ động cơ 1200 (vòng/phút) .................................66
Hình 4.16. Tỷ lệ muội than tại tốc độ động cơ 1800 (vịng/phút) .................................67
Hình 4.17. Tỷ lệ muội than tại tốc độ động cơ 2400 (vịng/phút) .................................67
Hình 4.18. Tỷ lệ muội than tại tốc độ động cơ 3000 (vịng/phút) .................................68
Hình 4.19. Tỷ lệ muội than tại tốc độ động cơ 3600 (vịng/phút) .................................68
Hình 4.20. Tỷ lệ muội than tại tốc độ động cơ 4200 (vịng/phút) .................................69
Hình 4.21. Tỷ lệ muội than tại tốc độ động cơ 5000 (vịng/phút) .................................69
Hình 4.22. Biểu đồ tỷ lệ khối lượng muội than .............................................................70
Hình 4.23. Biểu đồ so sánh các đặc tính ngồi động cơ tại vận tốc 1800(vịng/phút) ..71
Hình 4.24. Biểu đồ so sánh các đặc tính ngồi động cơ tại vận tốc 3000(vịng/phút) ..72

Hình 4.25. Biểu đồ so sánh các đặc tính ngồi động cơ tại vận tốc 4200(vịng/phút) ..73
Hình 0.1. Cơng cụ AVL Fire ESE Diesel ......................................................................79

ix


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1. Bảng thông số chung của động cơ và chuyển dịch piston ............................29
Bảng 3.2. Thông số hình học của piston và kim phun ..................................................32
Bảng 3.3. Thay đổi bước tính tốn ................................................................................34
Bảng 3.4. Thiết lập điều kiện biên Piston ......................................................................38
Bảng 3.5. Thiết lập điều kiện biên cho xi lanh ..............................................................39
Bảng 3.6. Thiết lập điều kiện biên của trục ...................................................................39
Bảng 3.7. Thiết lập điều kiện biên đầu mặt chuyển ......................................................40
Bảng 3.8. Thiết lập điều kiện biên phần thể tích bù ......................................................40
Bảng 3.9. Thiết lập điều kiện biên đầu nắp xi lanh .......................................................41
Bảng 3.10. Thiết lập điều kiện ban đầu .........................................................................43
Bảng 3.11. Thiết lập tuyến tính hóa ..............................................................................44
Bảng 3.12. Khởi động các mơ đun tính tốn kết quả dạng 3 chiều ...............................46
Bảng 3.13. Thiết lập mơ hình khí xả muội than ............................................................49
Bảng 3.14. Thiết lập mơ hình phụ .................................................................................51
Bảng 4.1. Bảng giá trị kết quả mô phỏng AVL FIRE (600 – 2400 rpm) ......................52
Bảng 4.2. Bảng giá trị kết quả mô phỏng AVL FIRE (3000 – 5000 rpm) ....................53

x


Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. Mục tiêu nghiên cứu
-

Nghiên cứu ảnh hưởng của sự thay đổi đường kính lỗ tia phun nhiên liệu đến công
suất động cơ Diesel.

-

Đề xuất phương án tối ưu hóa cơng suất động cơ Diesel.

1.2. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu
1.2.1. Đối tượng nghiên cứu
-

Động cơ Kia - JD K3500

-

Lý thuyết cháy, phun nhiên liệu và hình thành khí xả trong động cơ

-

Phần mềm mô phỏng AVL Fire

1.2.2. Phạm vi nghiên cứu
-

Trong bài viết này chỉ tập trung vào việc xem xét sự ảnh hưởng của đường kính lỗ
kim phun đến cơng suất của động cơ Diesel. Các thiết lập thông số trên phần mềm
mô phỏng AVL Fire giữ nguyên chỉ thay đổi thông số đường kính lỗ tia phun.

1.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.3.1. Trong nước
Từ khi ra đời đến nay động cơ Diesel không ngừng được cải tiến và phát triển để ngày
càng hoàn thiện và đạt năng suất cao. Trong những năm gần đây, vấn đề nghiên cứu
nhằm tối ưu hóa cơng suất động cơ là sự quan tâm hàng đầu của các nhà nghiên cứu động
lực học. Tại Việt Nam có những nghiên cứu nổi bật như:
“Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian phun đến đặc tính q trình cháy và khí thải trên
động cơ Diesel phun trực tiếp bằng phương pháp mô phỏng” của tác giả Nguyễn Văn
Tổng Em, Nguyễn Lê Duy Khải. Bài viết này trình bày nghiên cứu ảnh hưởng của thời
gian phun đến đặc tính q trình cháy và khí thải trên động cơ Diesel phun trực tiếp,
buồng cháy thống nhất bằng phần mềm mô phỏng KIVA-3V. Trong nghiên cứu này, thời
gian phun được thay đổi từ 6° đến 12° góc quay trục khuỷu (CA) khi giữ nguyên thời
điểm phun để đánh giá sự tác động đến công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải bồ
hóng cũng như NOx trong khí thải động cơ Diesel RV125-2. Kết quả nghiên cứu chỉ ra
rằng công suất của động cơ đạt giá trị lớn nhất, đồng thời bồ hóng và NOx giảm đáng kể
khi thời gian phun nằm trong khoảng từ 6° đến 9° CA [7].
1


“Ảnh hưởng hình dạng buồng cháy đến cơng suất và phát thải của động cơ Diesel
Vikyno RV125-2” của nhóm tác giả Nguyễn Lê Duy Khải và Nguyễn Đắc Khánh Hưng,
Bài báo trình bày nghiên cứu ảnh hưởng hình dạng buồng cháy đến cơng suất và khí thải
trên động cơ Diesel phun trực tiếp, buồng cháy thống nhất VIKYNO RV125-2 bằng phần
mềm mô phỏng KIVA-3V. Trong nghiên cứu này, độ sâu buồng cháy, đường kính đáy
buồng cháy và đường kính miệng buồng cháy được thay đổi, trong khi vẫn giữ nguyên tỷ
số nén động cơ. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, tăng đường kính miệng buồng cháy có
tác động tốt nhất. Cụ thể, khi đường kính miệng buồng cháy thay đổi từ 3.98cm lên
4.7cm, công suất tăng 6.22%, trong khi nồng độ NOx giảm 0.85%. Tuy nhiên bồ hóng sẽ
tăng 45.83% [3].
“Mơ phỏng q trình phun nhiên và q trình cháy trong động cơ D1146TIS sử dụng
phần mềm CFD AVL-Fire” của tác giả Trần Quang Vinh. Trong đề tài này tác giả sử

dụng phần mềm CFD AVL để giới thiệu chung về tính năng và mơ đun của phần mềm
mơ phỏng 3 chiều của động cơ đốt trong hiện đại AVL-Fire, trình bày về vấn đề lý thuyết
mơ phỏng động lực học chất lỏng trong các quá trình phun nhiên liệu, q trình hịa trộn
trong buồng cháy, đốt cháy nhiên liệu, hình thành khí xả NOx và muội than,… [6].
1.3.2. Ngoài nước
Để tuân thủ các quy định về phát thải khí xả nghiêm ngặt, đặc biệt là trên động cơ
Diesel áp dụng tiêu chuẩn EURO 4 ở Việt Nam, tiêu chuẩn EURO 6 ở các nước Châu Âu
năm 2014, và tiếp theo là tiêu chuẩn EURO 6D thử nghiệm phát thải khi cho xe chạy
thực tế (real driving Emissions) có thể sẽ áp dụng vào năm 2020. Trước nguy cơ phải
dừng sản xuất động cơ Diesel do không đạt tiêu chuẩn, nhưng do ưu điểm quá lớn về tiết
kiệm nhiên liệu cũng như vượt trội về sức kéo. Nên từ sớm đã có những nghiên cứu của
các chuyên gia nước ngồi nhằm cải thiện cơng suất và khí thải cho động cơ Diesel. Các
nghiên cứu này nhằm tối ưu hệ thống nhiên liệu của động cơ Diesel, phun nhiên liệu ở áp
suất cao hơn – Hệ thống nhiên liệu Common Rail, cải tiến kim phun phun nhiên liệu
chính xác đáp ứng cho hệ thống nhiên liệu,… Các nghiên cứu nổi bật như:
“Experimental study of the Effect of Fuel Injector nozzle holes on Direct Injection
Diesel Engine” của nhóm tác giả Rohit Sharma, Rana Ranjit Singh và Shailendra Kumar
Vishwakarma. Trong nghiên cứu này chỉ ra các thông số quan trọng ảnh hưởng là kích
thước hạt nhiên liệu, nồng độ nhiên liệu và tốc độ phun nhiên liệu vào buồng đốt. Các lỗ
2


tia phun nhiên liệu nhỏ hơn có kích thước giọt nhỏ hơn, thậm chí khi giảm áp suất phun
sự nguyên tử hóa nhiên liệu vẫn tốt hơn, bay hơi nhanh hơn và trộn tốt hơn [21].
“Effect of Nozzle Holes and Turbulent Injection on Diesel Engine Performance” của
nhóm tác giả Dr. Hiregoudar Yerrennagoudaru, Kullaya Swamy K B. Nghiên cứu chỉ ra
động cơ Diesel, phun nhiên liệu với các hướng phun khác nhau có ảnh hưởng lớn đến
hiệu suất động cơ cũng như khí thải. Hướng phun nhiên liệu có vai trị quan trọng trong
hịa trộn khơng khí nhiên liệu. Hình dạng của vịi phun nhiên liệu Diesel và đặc tính lưu
lượng nhiên liệu trong vòi phun ảnh hưởng đáng kể đến các q trình ngun tử hóa

nhiên liệu, đốt cháy và hình thành khí thải ơ nhiễm trong động cơ Diesel. Trong thí
nghiệm này đã nghiên cứu ảnh hưởng của các lỗ tia phun của vịi phun. Các mơ hình
được cho thấy được sự ảnh hưởng của quá trình phun nhiên liệu đến hiệu suất của động
cơ Diesel, tiêu thụ nhiên liệu trong xi lanh động cơ. Nghiên cứu cũng chỉ ra tác động của
xoáy lốc trong buồng đốt của động cơ Diesel tùy thuộc vào hình dạng, góc và diện tích
của luồng khí trong xi lanh làm ảnh hưởng đến áp suất trong buồng đốt [22].
“Injector Nozzle Hole Parameters and their Influence on Real DI Diesel Performance”
của tác giả Mikael Lindstrưm. Trong nghiên cứu đã cho phân tích rõ về q trình ngun
tử hóa của chùm tia nhiên liệu và quá trình xâm thực trong lỗ phun của kim phun, hai q
trình quan trọng đó có ảnh hưởng rất lớn đến q trình phun nhiên liệu trong động cơ. Từ
đó có hướng giải quyết cho vấn đề tăng hiệu suất động cơ và giảm lượng NOx, muội than
[17].
“Effect of injector nozzle holes on Diesel engine performance” nghiên cứu của tác giả
Abdul Rahim Ismail. Nghiên cứu sử dụng phần mềm GT – POWER để mô phỏng sự ảnh
hưởng của lỗ tia phun nhiên liệu đến công suất động cơ Diesel. Trong nghiên cứu này tập
trung vào hiệu suất động cơ dựa trên sự thay đổi kích thước đường kính lỗ tia phun nhiên
liệu, tại đường kính và tốc độ động cơ khác nhau. Mơ hình động cơ Diesel đã chạy ở tốc
độ động cơ khác nhau 500, 1000, 1500, 2000, 2500, 3000 và 3500 (vòng/phút) và thay
đổi số lượng lỗ tia phun nhiên liệu phun dựa trên thay đổi qua nhiều lỗ đường kính, mơ
hình mơ phỏng được bắt đầu từ vòi phun nhiên liệu 1 lỗ, 2 lỗ, 3 lỗ, 4 lỗ, 5 lỗ, 6 lỗ, 7 lỗ, 8
lỗ , 9 lỗ và 10 lỗ. Tất cả các lỗ của vòi phun đã được kiểm tra và kết quả cho thấy rằng
vòi phun 7 lỗ đã mang lại kết quả đốt tốt nhất, nhiên liệu trong xi lanh được đốt cháy triệt
để ở bất kỳ tốc độ động cơ khác nhau và đốt cháy tốt nhất là ở động cơ tốc độ thấp. Về
3


hiệu suất động cơ, tất cả các vòi phun đã được kiểm tra và vòi 5 lỗ cung cấp kết quả tốt
nhất về công suất, mô-men xoắn và suất tiêu hao nhiên liệu ở bất kỳ tốc độ động cơ khác
nhau. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng giảm đường kính lỗ phun của lỗ tia phun là một
phương pháp hiệu quả để tăng sự trộn khơng khí và nhiên liệu trong quá trình phun nhiên

liệu [15].
1.4. Nội dung nghiên cứu
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Nghiên cứu lý thuyết
Chương 3: Mô phỏng quá trình phun nhiên liệu trong động cơ Kia - JD K3500
Chương 4: Trình bày đánh giá bàn luận về các kết quả
Chương 5: Kết luận và kiến nghị

4


Chương 2. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT
2.1. Sơ lược về sự phát triển của động cơ Diesel
Động cơ Diesel là một loại động cơ đốt trong, khác với động cơ xăng, sự cháy của
nhiên liệu dầu Diesel, xảy ra trong buồng đốt khi piston đi tới gần điểm chết trên trong kỳ
nén, là sự tự cháy dưới tác động của nhiệt độ và áp suất cao của khơng khí nén. Động cơ
Diesel do một kỹ sư người Đức, ông Rudolf Diesel, phát minh ra vào năm 1892. Chu
trình làm việc của động cơ cũng được gọi là chu trình Diesel. Do những ưu việt của nó so
với động cơ xăng, như hiệu suất động cơ cao hơn hay nhiên liệu Diesel rẻ tiền hơn xăng,
nên động cơ Diesel được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, đặc biệt trong
ngành giao thông vận tải thủy và vận tải bộ.
Động cơ Diesel bắt đầu được sử dụng trong ô tô vào những năm 1930. Từ năm 1936,
Mercedes trở thành nhà sản xuất ô tô đầu tiên trên thế giới trang bị động cơ Diesel cho
chiếc 260D. Q trình thử nghiệm lơ taxi 260D tại Đức đã thấy được hiệu quả và tuổi thọ
thực sự của động cơ Diesel nên động cơ Diesel đã thu hút được sự quan tâm của người
tiêu dùng thời bấy giờ. Sự thành công của Mercedes đã khích lệ nhiều cơng ty tham gia
sản xuất và lắp đặt động cơ Diesel cho xe hơi, trong đó có Audi, Cadillac, Ford, Buick,
Chevrolet, Volvo và BMW. Vai trò của động cơ Diesel càng rõ nét hơn khi xảy ra hai
cuộc khủng hoảng dầu lửa vào những năm 1970 và 1980.
Động cơ Diesel thường tạo ra ít carbon dioxide hơn động cơ chạy bằng xăng nhưng lại

tạo ra nhiều oxit nitơ hơn. Dù có nhiều ưu điểm vượt trội, nhất là tiết kiệm nhiên liệu hơn
động cơ xăng khoảng 30% nhưng động cơ Diesel vẫn ít phổ biến hơn động cơ xăng do
những hạn chế về giá thành sản suất, tiếng ồn và khí thải [5].

5


2.2. Lý thuyết phun nhiên liệu và phân tích chùm tia phun
2.2.1. Lý thuyết phun nhiên liệu
2.2.1.1. Lý thuyết quá trình phun nhiên liệu trong động cơ Diesel

Hình 2.1. Kim phun nhiên liệu loại đa lỗ tia
Q trình hịa trộn hỗn hợp trong lịng xy lanh là một q trình rối loạn giữa khơng khí
có áp suất cao và nhiên liệu có động năng lớn ở dạng sương trong thời gian rất ngắn từ
1,6 đến 60 𝜇s. Quá trình cháy và các thơng số của q trình cháy phụ thuộc rất nhiều vào
chất lượng và thời gian chuẩn bị hỗn hợp nhiên liệu.
Chất lượng và thời gian của quá trình cung cấp nhiên liệu vào buồng đốt động cơ sẽ
quyết định hiệu suất, tính kinh tế và mức độ ơ nhiễm mơi trường của động cơ Diesel.
Để q trình cung cấp nhiên liệu cho động cơ Diesel đạt hiệu quả cao thì hệ thống
nhiên liệu phải thỏa mãn các thơng số sau:
-

Lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình phải đảm bảo tính đồng nhất trong tất cả
các xy lanh ứng với từng chế độ làm việc của động cơ.

-

Chất lượng và vận tốc của các hạt nhiên liệu khi đi vào buồng đốt phải tương đối
đồng đều để cho các q trình cháy được diễn ra nhanh chóng như mong muốn.

-

Thời gian bắt đầu phun và kết thúc luôn phải được đảm bảo theo từng chế độ tải
của động cơ.

Chất lượng phun nhiên liệu được đặc trưng ở hai thơng số: đặc tính phun nhiên liệu và
độ mịn của hạt nhiên liệu. Khi phun với áp suất lớn và đột ngột thì sẽ nâng cao được đặc
tính phun và độ tơi của hạt. Điều này làm tăng diện tích tiếp xúc giữa khơng khí với hạt
6


trong buồng đốt. Nhờ đó mà q trình cháy được tốt hơn, tốc độ và công suất của động
cơ tăng lên [4].

40

Đường kính lỗ phun 0.4 mm
Đường kính lỗ phun 0.57 mm
Đường kính lỗ phun 0.8 mm

Số lượng hạt, %

30

20

10

0

0

10

20

Đường kính hạt, µm

30

40

Hình 2.2. Đặc tính phun nhiên liệu [4]
Áp suất trong buồng đốt cũng ảnh hưởng lớn từ áp suất phun nhiên liệu được mô tả
trong biểu đồ bên dưới:

Hình 2.3. Sự thay đổi áp suất trong xi lanh khi thay đổi đường kính lỗ tia phun nhiên
liệu [4]
7


2.2.1.2. Ảnh hưởng của đường kính lỗ tia phun trong q trình mơ phỏng phun
nhiên liệu trong AVL Fire
Ảnh hưởng của kim phun nhiên liệu rất quan trọng đối với hiệu suất và khí thải của
động cơ diesel. Một trong những vấn đề khó khăn nhất gặp phải trong quá trình phát triển
động cơ Diesel hoạt động ở tốc độ cao là phải ngun tử hóa nhiên liệu thích hợp trong
buồng đốt trong thời gian cực ngắn. Một số thông số quan trọng bao gồm kích thước lỗ
tia phun, xâm thực, độ côn của chùm tia, vận tốc nhiên liệu, mật độ khơng khí mà nhiên
liệu được bơm vào ảnh hưởng đến việc tăng cường nguyên tử hóa nhiên liệu. Nguyên tử
hóa chủ yếu xảy ra do xâm thực và nhiễu loạn trong vùng lân cận của vòi phun. Kết quả

thử nghiệm cho thấy rằng lỗ có đường kính đầu ra nhỏ hơn làm tăng hệ số phun đến
phạm vi nhất định gây ra sự gia tăng quá trình nguyên tử hóa nhiên liệu.
Q trình phun nhiên liệu ảnh hưởng rất nhiều đến công suất của động cơ, tuy nhiên
trong q trình phun khơng thể tránh khỏi hiện tượng xâm thực, nó làm giảm hiệu suất
phun và làm xói mịn kim phun. Để hạn chế xảy ra hiện tượng xâm thực ta cần hiểu rõ sự
liên hệ giữa đường kính lỗ kim phun và q trình xâm thực của dịng nhiên liệu trong kim
phun [17].

Hình 2.4. Tổng quan về các quá trình xảy ra trong kim phun nhiên liệu [12]

8


Nếu áp suất trong dòng nhiên liệu giảm xuống dưới áp suất hóa hơi của nhiên liệu thì
những bọt khí sẽ được hình thành. Hiện tượng này được gọi là xâm thực và xảy ra ở
nhiều loại máy bơm thuỷ khí và nó có liên quan đến lưu lượng dịng nhiên liệu với áp
suất cao, ví dụ như máy bơm, cánh quạt và hệ thống phun nhiên liệu Diesel. Nếu xâm
thực quá mạnh xảy ra, vật liệu xung quanh dòng nhiên liệu có thể bị phá hủy do xói mịn.
Nếu một chùm bong bóng tạo bọt bể gần bề mặt chi tiết, sự thay đổi đột ngột về áp suất
sẽ hình thành một phản lực, lực đó đập vào bề mặt và nếu phản lực đủ mạnh, bề mặt của
vật liệu sẽ bị xói mịn. Một khi bề mặt bị rỗ do xói mịn, q trình xâm thực có thể tiếp
tục với tốc độ nhanh hơn. Độ nhám bề mặt tăng lên có thể thúc đẩy sự hình thành các bọt
khí nhiều hơn và bề mặt vốn đã bị rỗ có thể bị tác dụng hơn với sự xói mịn hơn nữa. Nếu
điều này xảy ra bên trong các lỗ của vòi phun nhiên liệu Diesel, sự thay đổi trong kết cấu
sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình phun nhiên liệu. Vì áp suất cao trong vịi Diesel có
thể lên tới 2000 bar và có thể cao hơn nữa, sự xuất hiện của xâm thực là không thể tránh
khỏi. Hiện tượng xâm thực không chỉ là hiện tượng tiêu cực nếu xâm thực được kiểm
sốt sẽ khơng làm hỏng vịi phun và thậm chí sẽ tác dụng có ích. Xâm thực làm tăng q
trình ngun tử hóa của nhiên liệu và nó có thể giữ cho vịi phun khơng bị lắng đọng cặn
bẩn có thể gây cản trở dịng nhiên liệu.

Khi nhiên liệu đi vào của lỗ tia phun, sẽ hình thành một vùng áp suất thấp. Và khi điều
này xảy ra tuần hồn nó sẽ làm giảm diện tích nhiên liệu đi vào, nơi đó được gọi là “vena
contracta” (nơi có đường kính dịng nhỏ nhất) [16].

Hình 2.5. Vị trí xảy ra xâm thực trong kim phun nhiên liệu [14]
9