Nghiên cứu quá trình tạo hỗn hợp động cơ 3 xylanh diesel phun gián tiếp có buồng cháy three vortex combustion (TVC), sử dụng nhiên liệu sinh học bio diesel (tham khảo động cơ 3 xylanh kubota d1703 m e3b)

Động cơ diesel 3 xylanh sử dụng buồng cháy xoáy lốc TVC với dãy công suất 20-50HP không những đáp ứng được yêu cầu cho nguồn động lực trong sản xuất mà còn được nhiều nhà khoa học nghiên

TịMăT T

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của quá trình cơ giới hóa ở nông thôn Việt Nam thì nhu cầu động lực trong ho t động sản xuất cũng tăng nhanh chóng Bên c nh đó, việc ứng dụng nhiên liệu sinh học biodiesel sử dụng trên động cơ diesel cũng là một ưu tiên hàng đầu để cắt giảm lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường và duy trì ổn định nguồn cung cấp nhiên liệu Động cơ diesel 3 xylanh sử dụng buồng cháy xoáy lốc TVC với dãy công suất 20-50HP không những đáp ứng được yêu cầu cho nguồn động lực trong sản xuất mà còn được nhiều nhà khoa học nghiên cứu và đánh giá cao trong việc kết hợp sử dụng các lo i nhiên liệu biodiesel đặc biệt là khả năng hòa trộn nhiên liệu và không khí trong lo i buồng cháy này

Luận văn với đề tải: “Nghiên cứỐ qỐá ỏạo h n h p đ ng cơ 3 xy lanh diesel phun gián ỏiếp có bỐ ng cháy ỏhree ốorỏeồ combỐsỏion (TVC), sử d ng nhiên ệi Ố sinh học Bio-diesel (ỏham Ệhảo đ ng cơ 3 xy lanh KUBOTA D1703-M-E3B)”, đã

được thực hiện để góp phần nghiên cứu, cải tiến quá trình hình thành hỗn hợp cháy của nhiên liệu biodiesel trên lo i động cơ 3 xy lanh sử dụng buồng cháy xoáy lốc TVC Luận văn bao gồm các nội dung cụ thể như sau:

 Giới thiệu tổng quan và khảo sát nhu cầu động cơ 3 xy lanh,

 Nghiên cứu sự phân rã của tia phun nhiên liệu và hình thành hỗn hợp cháy trong buồng cháy xoáy lốc, phân tích các đặc tính của nhiên liệu biodiesel,

 Nghiên cứu mô phỏng 3D quá trình hình thành hỗn hợp cháy trên động cơ diesel 3 xy lanh dùng nhiên liệu biodiesel từ mỡ cá ba sa,

 Cải tiến buồng cháy xoáy lốc TVC và mô phỏng so sánh khả năng hòa trộn nhiên liệu biodiesel với động cơ nguyên thủy

Kết quả của luận văn đã cho thấy rằng việc cải tiến động cơ diesel 3 xy lanh phun gián tiếp sử dụng công nghệ Three Vortex có thể làm tăng hiệu suất hòa trộn của không khí với nhiên liệu biodiesel và việc ứng dụng các động cơ này trong các

ho t động sản xuất ở nông thôn là rất khả thi

ABSTRACT

Along with high speed development of mechanization in rural Viet Nam, the demand of dynamic in all kinds of productive activities are increasing significantly Besides, applying biodiesel fuels on diesel engine is also a priority for reducing greenhouse gas emitting into the atmosphere and sustaining the energy supply Three cylinders diesel engines using TVC technology with the power range 20- 50HP not only satisfy the demand of dynamic but also especially noted by many scientists in their potential of biodiesel application thanks to its high quality of air fuel mixture formation in the swirl chamber This thesis with subject: “ậesearching mixture formation process in three cylinders indirect injection diesel engine with Three Vortex Combustion Chamber (TVC) using bio-diesel fuel (referencing model 3 cylinders Kubota D1703-M-E3B)” was carried out in order to improve the

mixture formation of biodiesel fuel in TVC chamber of three cylinders diesel engine the thesis issued following content:

 General introduction and survey researching about the demand of three cylinders engine

 Researching break-up regimes of fuel spray and mixture formation in swirl chamber, analyzing the characters of biodiesel and potential of applying on diesel engine

 Simulation researching of application biodiesel from basa oil on original three cylinders indirect injection diesel engine,

 Modifying the TVC chamber and make comparison with the original engine in their quality of mixture formation

The results of simulations show that the modification schemes on the chamber presents the potential to further improve the mixture formation ability of biodiesel fuel and air on diesel engine and using these engines is very feasible in Viet Nam rural areas

swirl-M C L C

Trang tựa trang Quyết định giao đề tài

Lý lịch cá nhân i

Lời cam đoan ii

C m t iii

Tóm tắt iv

M c l c vi

Danh sách các chữ viết tắt x

Danh sách các hình xi

Danh sách các b ng xiii

Ch ngă1.ăT NG QUAN 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.1.1 Nhu cầu đ ng cơ đốt trong ở nông thôn Việt Nam 1

1.1.2 Nhu cầu đ ng cơ 3 xilanh 3

1.1.3 Công nghiêp máy đ ng lực ở Việt Nam 4

1.1.4 Nhiên liệu thay thế 6

1.2.Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước vê đ ng cơ 3 xy lanh sử dụng nhiên liê ̣u sinh ho ̣c 11

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ở nươc ngoai: 11

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nươc: 13

1.3.M c tiêu và đối tư ng nghiên cứu 14

1.3.1 M c tiêu nghiên cứu: 14

1.3.2 Đối tư ng nghiên cứu: 14

1.4.Nhiệm v và ph m vi nghiên cứu của đề tài 14

1.4.1.Nhiệm v của đề tài: 15

1.4.2 Ph m vi nghiên cứu: 15

1.5.Phương pháp nghiên cứu 16

Ch ngă2.ăC ăS LÝ THUY T 17

2.1 Lý thuyết hình thành h n h p cháy trong đ ng cơ đốt trong 17

2.1.1 Sự phát triển của tia phun nhiên liệu 17

2.1.2 Sự phân rã đ ng học của các h t nhiên liệu 18

2.1.3 Cơ chế phân rã của tia phun nhiên liệu 21

2.1.4 Sự tương tác giữa tia phun với thành xilanh 30

2.2 Quá trình t o h n h p cháy trong đ ng cơ Diesel 34

2.2.1 Buồng cháy dự bị 35

2.2.2 Buồng cháy xoáy lốc 37

2.3 Lý thuyết Three Vortex 41

2.3.1 Phương trình mô phỏng xoáy lốc Three Vortex 41

2.3.2 Mô hình chuyển đ ng của xoáy lốc Three Vortex 44

2.4 Lý thuyết về nhiên liệu biodiesel 47

2.4.1 Khái niệm 47

2.4.2 Các tính năng khi sử d ng nhiên liệu biodiesel 51

2.4.3 Các yêu cầu của quá trình n p và t o h n h p trên đ ng cơ sử d ng biodiesel 55

Ch ngă3.ăPHÂNăTệCHăBU NG CHÁY TVCS (trên đ ng cơ 3 xilanh KUBOTA D1703- E3B) 57

3.1 Giới thiệu đ ng cơ KUBOTA D1703-E3B 57

3.1.1 Lý do chọn đ ng cơ Kubota 3 xy lanh 57

3.1.2 Thông sô kỹ thuâ ̣t chinh của động cơ Kubota 3 xy lanh 57

3.2 Phân tích kết cấu buồng cháy TVCS 60

3.2.1 Buồng cháy xoáy lốc 60

3.2.2 Cửa buồng cháy 61

3.2.3 Đỉnh piston 62

3.3 Phân tích quá trình hình thành h n h p cháy 63

3.4 Các yếu tố c i thiện quá trình hòa tr n nhiên liệu Biodiesel trong buồng cháy TVCS 68

3.4.1 Đ nhớt cao 68

3.4.2 Nhiệt chớp cháy 68

3.4.3 Nhiệt trị thấp 69

Ch ngă4:ăMỌăPH NGăĐ NG H C 70

4.1 Tổng quan về phần mềm mô phỏng Ansys Fluent 70

4.2 Đối tư ng mô phỏng 72

4.2.1 Mô hình đ ng cơ mô phỏng 72

4.2.2 Nhiêu liệu thử nghiệm 72

4.3 Trình tự thực hiện và cơ sở lý thuyết trong mô phỏng 74

4.3.1 Trình tự thực hiện 74

4.3.2 Cơ sở lý thuyết của phương pháp mô phỏng 78

4.4 Xây dựng mô hình và xác lập các thông số đ ng học liên quan đến quá trình hình h n h p cháy trong buồng cháy TVC 83

4.4.1 Xây dựng mô hình hình học buồng cháy TVC 83

4.4.2 Chia lưới mô hình 83

4.4.3 Cài đặt thông số đầu vào cho bài toán 86

4.5 Mô phỏng đ ng học quá trình hòa tr n nhiên liệu biodiesel 87

4.6 Xử lý và đánh giá kết qu đ t đư c từ mô phỏng 92

4.6.1 Nhiệt phận bố trong buồng cháy xoáy lốc 92

4.6.2 Vận tốc không khí phân bố trong buồng cháy xoáy lốc 93

4.6.3 Tỉ số mass fraction phân bố trong buồng cháy xoáy lốc 96

4.6.4 So sánh đ xuyên thấu của tia phun theo áp suất phun 99

Ch ngă5:ăĐ XU T VÀ C I TI NăĐ NGăC 101

5.1 Nghiên cứu và đề suất c i tiến đ ng cơ 101

5.1.1 Nghiên cứu c i tiến 101

5.1.2 Đề suất c i tiến 105

5.2 Mô phỏng quá trình hòa tr n của đ ng cơ TVCS sau khi c i t o 105

5.2.1.Các cấu trúc đư c xét đến 105

ết lập thông số và tiêu chí mô phỏng 110

5.3 So sánh và đánh giá kết qu đ t đư c trước và sau cài tiến 112

5.3.1 Vận tốc và quỹ đ o chuyển đ ng xoáy lốc trong buồng cháy 112

5.3.2 Vận tốc và quỹ đ o chuyển đ ng của nhiên liệu trong buồng cháy 114

5.3.3 Tỉ số mass fraction giữa không khí và nhiên liệu trong buồng cháy 116

5.3.4 Nhiệt đ không khí trong buồng cháy 119

5.3.5 Đ xuyên thấu của tia phun nhiên liệu 122

5.3.6 Phân tích kết cấu tối ưu 123

Ch ngă6.ăK T LU NăVÀăĐ NGH 125

6.1 Tóm tắt kết qu đề tài 125

6.2 Đánh giá kết qu của đề tài 128

6.3 Đề nghị hướng phát triển của đề tài 128

K HO ẠCH D KI N TH C HI NăĐ TÀI 130

TÀI LI U THAM KH O 131

PH L C

DANH SÁCH CÁC CH VI T T T

ASOI After start of injection

ATDC After top dead center

BTDC Before top dead center

ISL Intact surface length

SAE Society of Automotive Engineers

udf_P User define function

VEAM Vietnam Engine and Agricultural Machinery

DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH TRANG

Hình 1.1 Thị phần đ ng cơ 3 xylanh 30-50 Hp trong tổng số đ ng cơ nhiều xy lanh

từ 20 – 90 Hp 4

Hình 1.2 Thị phần đ ng cơ ph c v cho nông nghiệp Việt Nam 5

Hình 1.3 Biểu đồ biến đ ng giá nhiên liệu từ năm 2004 đến 2009 7

Hình 1.4 So sánh hàm lư ng khí CO trong khí th i khí th i Biodiesel và Diesel 9

Hình 1.5 Lư ng khí th i trung bình của nhiên liệu Biodiesel khi sử d ng trên đ ng cơ diesel 10

Hình 2.1 Tr ng thái phân rã tia phun 17

Hình 2.2 Các tr ng thái phun 18

Hình 2.3 Đặc tính phát triển tia phun 18

Hình 2.4 Các tr ng thái phân rã h t chất lỏng theo Wierzba 19

Hình 2.5 Sự phân rã thứ cấp của các h t Newton 20

Hình 2.6 Cấu trúc tia phun nhiên liệu 21

Hình 2.7 Xoáy lốc trong tia phun 21

Hình 2.8 Hình thành bọt khí trong tia phun 22

Hình 2.9 Dao đ ng sóng trên tia phun 22

Hình 2.10 sự ph c hồi của tia phun 22

Hình 2.11 So sánh áp suất phun nhiên liệu 23

Hình 2.12 Sự va ch m và kết h p giữa các h t nhiên liệu 23

Hình 2.13 Tia phun d ng hình chóp r ng 24

Hình 2.14 Sự phát triển theo thời gian của chùm tia phun từ vòi phun xoáy lốc áp suất 26

Hình 2.15 Sự phát triển theo thời gian của dòng khí ph quanh chùm tia phun từ vòi phun xoáy lốc áp suất 26

Hình 2.16 nh hưởng của áp suất môi trường lên kết cấu chùm phun 27

Hình.2.17 nh hưởng của áp suất môi trường và áp suất phun lên cấu trúc chùm

phun 27

Hình 2.18 Sự thay đổi kết cấu tia phun theo áp suất phun 28

Hình 2.19 nh hưởng của nhiệt đ môi trường lên kết cấu tia phun 29

Hình 2.20 nh hưởng của tốc đ khí lên quá trình phân r của chùm phun 30

Hình 2.21 Hiện tư ng tương tác với thành chắn của chùm phun hình chóp đặc 31

Hình 2.22 Vùng không khí quanh m t chùm phun chóp đặc khi tương tác với thành chắn 31

Hình 2.23 Các d ng tương tác giữa nhiên liệu với thành chắn 32

Hình 2.24 Thời gian phát triển của chùm phun khi bị va ch m, 32

Hình 2.25 nh hưởng của áp suất phun, áp suất buồng cháy và nhiệt đ thành chắn đến quá trình va đập của tia phun lên thành 34

Hình 2.26 Phát triển chùm tia phun nhiên liệu diesel 35

Hình 2.27 Buồng cháy dự bị 36

Hình 2.28 Buồng cháy xoáy lốc 37

Hình 2.29 Tốc đ xoáy lốc thay đổi theo kết cấu và vị trí của cửa buồng cháy 38

Hình 2.30 Quá trình vận chuyển h n h p cháy đến buồng cháy chính 39

Hình 2.31 Xoáy lốc trong buồng cháy chính 40

Hình 2.32 Kết cấu buồng cháy trước và sau c i tiến 41

Hình 2.33 Mô phỏng xoáy lốc của Helmholtz 42

Hình 2.34 Mô phỏng chuyển đ ng của Three Vortex do Grobli thiết lập 45

Hình 2.35 Chuyển đ ng của 4 và 5 xoáy lốc 46

Hình 2.36 Mô phỏng Xoáy lốc three vortex bằng phần mềm Ansys 46

Hình 2.37 Công thức cấu t o của triglyceride 48

Hình 2.38 So sánh đường kính SMD giữa diesel và biodiesel 54

Hình 3.1 Hình chiếu đứng đ ng cơ D1703-E3B 59

Hìnhă3.2 Hình chiếu c nh đ ng cơ D1703-E3B 59

Hình 3.3 Kết cấu buồng cháy TVC 60

ửa buồng cháy Three Vortex 61

Hình 3.5 Kết cấu đỉnh piston 62

Hình 3.6 Buồng cháy TVCS 63

Hình 3.7 Góc phun nhiên liệu trong buồng cháy 64

Hình 3.8 Biểu đồ biểu diễn sự ph thu c của khối lư ng và nhiệt đ h t nhiên liệu theo thời gian 65

Hình 3.9 Xoáy lốc trong buồng cháy TVC 65

Hình 3.10 Xoáy lốc trong buồng cháy xoáy lốc 66

Hình 3.11 Xoáy lốc trong buồng cháy chính 66

Hình 3.12 Kết cấu đỉnh piston của đ ng cơ TVCS 67

Hình 4.1 Buồng cháy đư c mô hình hóa bằng ANSYS FLUENT 70

Hình 4.2 Máy bay đư c mô hình hóa bằng ANSYS FLUENT 71

Hình 4.3 Quy trình tổng quát gi i quyết vấn đề 74

Hình 4.4 Kết cấu của buồng cháy TVC 75

Hình 4.5 Mô hình sau khi thiết kế trong môi trường CATIA 76

Hình 4.6 Quy trình phân tích sử d ng công c qu n lý Project của ANSYS WorkBench 14.0 76

Hình 4.7 Quy trình thực hiện mô phỏng 77

Hình 4.8 Mô hình thu đư c từ máy Scan 3D 83

Hình 4.9 Kết cấu lưới của cửa buồng cháy 85

Hình 4.10 Lưới thể tích bên trong của buồng cháy TVC 85

Hình 4.11 Biểu đồ chất lư ng lưới 86

Hình 4.12 Đồ thị Mass Fraction theo góc quay tr c tr c khuỷu 98

Hình 4.13 Đ xuyên thấu của nhiên liệu 99

Hình 5.1 Kết cấu cách nhiệt của buồng cháy xoáy lốc 102

Hình 5.2 Sử d ng 4 cửa buồng cháy ph đối xứng 103

Hình 5.3 Sử d ng 2 cửa buồng cháy ph nghiêng 103

Hình 5.5 Kết cấu biên d ng đỉnh piston 104

Hình 5.6 Kết cấu phần lõm đỉnh piston 104

Hình 5.7 Bố trí kim phun trong buồng cháy 113

Hình 5.8 Đồ thị Mass Fraction theo góc quay và áp suất phun 118

Hình 5.9 Biểu đồ liên hệ giửa nhiệt đ với góc quay tr c khuỷu trước điểm chết trên giữa các kết cấu 121

Hình 5.10 Đ xuyên thấu của nhiên liệu sau khi phun 122

Hình 5.11 Mô hình buồng cháy TVC tối ưu 124

DANH SÁCH CÁC B NG

B NG TRANG

B ng 1.1 Nguồn đ ng lực dùng trong nông nghiệp nông thôn 1

B ng 1.2 Thống kê cơ giới hóa trong canh tác nông nghiệp 2

B ng 1.3 Thống kê cơ giới hóa trong ngành lâm nghiệp 2

B ng 1.4 Phương tiện vận t i (PTVT) ở khu vực nông thôn của các vùng 2

B ngă1.5 Dãy công suất đ ng cơ và c̃ lực kéo ở móc máy kéo 3

B ng 2.1 Sự chuyển dịch hệ số Weber trong các trường h p phân rã 20

B ng 2.2 Tính chất lý hóa cơ b n của các Biodiesel 52

B ng 2.3 So sánh đ cặn và trị số cetan của các lo i Biodiesel 52

B ng 2.4 Lư ng khí th i dầu biodiesel (BDF) so với dầu Diesel (DO) 53

B ngă3.1 Thông sô kỹ thuâ ̣t động cơ diesel thử nghiê ̣m 57

B ng 4.1 Thành phần và tỉ lệ trong nhiên liệu biodiesel từ m̃ cá basa 73

B ng 4.2 Tính chất của nhiên liệu thử nghiệm (B30) 74

B ng 4.3 Phân bố nhiệt đ buồng cháy theo góc quay tr c khuỷu 92

B ng 4.4 Trường vận tốc không khí trong buồng cháy theo góc quay tr c khuỷu 93 B ng 4.5 Trường vận tốc và quỹ đ o chuyển đ ng của các h t nhiên liệu 95

B ng 4.6 So sánh tỉ số mass fraction phân bố trong buồng cháy xoáy lốc 96

B ng 5.1 Thông số cấu trúc cần phân tích 105

B ng 5.2 Mô hình các cấu trúc đư c phân tích 107

B ng 5.3 Thông số thiết lập cho phân tích Fluent trong trường h p áp suất phun nhiên liệu bằng 150 Bar 110

B ng 5.4 Thông số thiết lập cho phân tích Fluent trong trường h p áp suất phun nhiên liệu bằng 180 Bar 111

B ng 5.5 Thông số thiết lập cho phân tích Fluent trong trường h p áp suất phun nhiên liệu bằng 150 Bar 111

B ng 5.5 So sánh vận tốc và quỷ đ o chuyển đ ng của không khí 112

B ng 5.5 So sánh vận tốc và quỷ đ o chuyển đ ng của các h t nhiên liệu 114

B ng 5.6 So sánh phổ mass fraction giữa các cấu trúc 116

B ng 5.7 So sánh nhiệt đ không khí trong buồng cháy 119

THÀNH PH H CHÍ MINH

NGHIÊN C U QUÁ TRÌNH N ẠP VÀ TẠO H N H PăĐ NGăC ă

3 XYLANH DIESEL PHUN GIÁN TI P CÓ BU NG CHÁY

THREE VORTEX COMBUSTION (TVC),

S D NG NHIÊN LI U SINH H C BIO-DIESEL

(THAM KH OăĐ NGăC ă3ăXYLANHăKUBOTAăD1703-M-E3B)

Hướng dẫn khoa học: PGS.TS PHẠM XUÂN MAI

Ch ngă1

T NG QUAN

1.1 Tính cấp thi t c aăđ tài:

1.1.1. Nhu cầỐ đ ng cơ đ t trong ở nông thôn Vi t Nam

Viê ̣t Nam la nên kinh tê lơn thư 6 Đông Nam ́ và ĺn thứ 59 trên thê giơi trong cac nên kinh tê thanh viên của Quỹ Tiên tê ̣ Quôc tê xet t heo quy mô tổng sản phẩm nô ̣i đi ̣a danh nghĩa năm 2009 và đứng thứ 128 xét theo tổng sản phẩm nội địa danh nghĩa binh quân đâu ngươi Trong đó khu vực sản xuất nông nghiệp chiêm 20,29% GDP Rõ ràng ngành nông nghiệp là một trong nhữ ng nganh kinh tê mũi nhọn và quan trọng cho nền kinh tế Việt Nam Do đó, việc cơ giơi hoa nông nghiê ̣p

mà đặc biệt là trang bị nguồn máy động lực cần thiết cho sản xuất là một đòi hỏi cấp thiết Sau một th i gian đẩy mạnh hoạt động cơ gíi hóa nông nghiệp, nhìn chung

Việt Nam đã đạt được một số thành quả nhất định trong việc nâng cao cả về số lượng và chất lượng máy móc trong sản xuất Theo thống kê của tổng cục Thống kê tính đến năm 2011 thì số lượng máy móc phục vụ cho quá trình cơ gíi hóa trong nông nghiệp đã và đang tăng lên đáng kể so v́i năm 2007(bảng 1): [1]

B ng 1.1 Ngu năđ ng l c dùng trong nông nghi p nông thôn

Năm Máy kéo, máy cày

ĺn 35 HP

Máy kéo, máy cày trung 12-35HP

Máy kéo, máy cày nhỏ dứi 12HP

Động cơ, máy phát điện

PTVT vận chuyển trên

đư ng bộ

PTVT vận chuyển trên

Trong đó mức độ cơ gíi hóa trong từng khu vực kinh tế nông thôn được

thống kê như sau :

 C ăgi i hóa trong nông nghi p :

Các khâu công tác trong khu vưc nông nghiệp đặc biệt là trong ngành trồng lúa nức cả 3 vùng đồng bằng sông Hồng, đồng bằng sông Cửu Lông và các tỉnh Đông Nam Bộ ngày càng được cơ gíi hóa và trang bị các máy móc phục vụ cho nhu cầu của các khâu công tác từng th i kỳ như : làm đất, gieo cấy và thu hoạch

B ng 1.2 Th ống kê cơ gíi hóa trong canh tác nông nghiệp [1]

Máy kéo, máy cày nhỏ dứi 12HP

Động cơ, máy phát điện

PTVT vận chuyển trên

đư ng bộ

Canh tác trên đất trồng cây nông nghi ệp

 C gi i hóa trong ngành lâm nghi p

Cơ gíi hóa tập trung vào lĩnh vực canh tác, trồng ḿi (làm đất, tạo bầu cây

giống…) Trong khai thác rừng trồng, mặc dù sản lượng không ĺn, nhưng về cơ

bản được tiến hành bằng máy như các khâu: chặt cây, bốc xếp, vận chuyển… ́p

dụng dây chuyền sơ chế tại cửa rừng nhằm nâng cao tỉ lệ thu hồi gỗ và giảm giá thành trong khâu vân chuyển

B ng 1.3 Th ống kê cơ gíi hóa trong ngành lâm nghiệp [1]

Máy kéo, máy cày nhỏ dứi 12HP

Động cơ, máy phát điện

PTVT

v ận chuyển trên

đư ng bộ

Lò máy

s ấy sản phẩm lâm sản

Máy bơm nức dùng cho sản xuất lâm sản

Canh tác trên đất trồng cây lâm nghiệp

 C ăgi i hóa khâu v n t i nông thôn

Cơ gíi hóa khâu vận tải nông thôn đã phát triển cả về số lượng và chất lượng Ngoài việc nâng cấp, xây dựng đư ng nông thôn, các thành phần kinh tế đã đầu tư trang bị phương tiện vận tải (trên bộ, trên sông rạch) Cả nức đã đầu tư 248767

chiếc phương tiện vận tải (PTVT) trên đư ng bộ và 202470 chiếc xuồng, thuyền trên sông rạch (Bảng 4) [1]

B ng 1.4 ăPh ngăti n v n t i (PTVT) khu v c nông thôn c a các vùng

Tùy điều kiện từng vùng chọn công suất động cơ, cỡ lực keo theo dãy cỡ sau :

B ngă1.5 Dãy công suất động cơ và cỡ lực kéo móc máy kéo [2]

Cỡ công suât may keo thư I thương dung động cơ một xy lanh (xăng hoă ̣c diesel nhưng phân lơn la diesel ) và là kiểu máy kéo 2 bánh Cỡ thư II tư 14 đến 19

kW thương la đô ̣ng cơ 2 hoă ̣c 3 xy lanh lăp trên may keo 4 bánh làm công việc vạn năng Cỡ thư III co công suât trên 36 kW vơi lực keo trên 1,4 tân dung nhiêu trong nông nghiê ̣p va được ưa chuô ̣ng ở đông ruộng một sô vung của Viê ̣t Nam [2]

1.1.2 Nhu c ầuăđ ngăc ă3ăxy lanh

Trức nhu cầu rất ĺn của động cơ đốt trong, ta thấy được rằng động cơ Diesel có công suất nhỏ mà phổ biến nhất là động cơ 3 xy lanh đang và sẽ được sử

dụng rất rộng rãi tại các vùng nông thôn Đây chính là nguồn động lực được ưa chuộng trong công cuộc cơ gíi hoá nông thôn nức ta hiện nay

Để phát triển nhanh nền kinh tế nông nghiệp, viêc tăng tỉ lệ cơ gíi hoá là

một trong những nhiệm vụ quan trọng Và để tăng tỉ lệ cơ gíi hoá thì việc sử dụng động cơ đốt trong 3 xy lanh cũng chiếm một phần rất ĺn Đồng th i cũng qua quá trình khảo sát thị trư ng trực tiếp các khu vực:

- Miền Đông Nam bộ: Đồng Nai, Bình Dương, Tây Ninh …

- Miền Trung – Tây Nguyên: Đắc lắc, Đắc Nông, Gia Lai, Kon Tum, Lâm Đồng, Phan Thiết, Quảng Ngãi…

- Miền Tây: Long An, Tiền Giang, Vinh Long, Cần Thơ, An Giang…

Cho thấy nhu cầu thị trư ng về loại động cơ 3 xy-lanh, trong đó công suất từ

30 – 50 HP là rất ĺn chiếm 40% nhu cầu các loại động cơ nhiều xy-lanh từ 20 -

>90 HP ( 100.000 động cơ lắp đặt trên xe công nông hiện hữu ) và 10.000 – 15.000 động cơ/năm cho xe tải nhẹ dùng ḿi [3]

Hình1 1 Thị phần động cơ 3 xylanh 30-50 Hp trong tổng số động cơ nhiều xy lanh

từ 20 – 90 Hp Song song v́i nhu cầu của thị trư ng về dãy công suất thì động cơ 3 xy lanh còn đáp ứng được các nhu cầu khác về mặt công nghệ như công suất kéo, hiệu suất nhiên liệu, và tính kinh tế trong sử dụng

1.1.3 Côngănghiê ̣pămayăđô ̣ngăl ̣că ̉ ăViê ̣tăNam :

Hiện nay, thị trư ng sản phẩm cơ khí phục vụ sản xuất nông nghiệp gồm:

nhập khẩu từ Trung Quốc và một số cơ s lắp ráp máy nông nghiệp của Trung Quốc

tại Việt Nam, sản phẩm của Nhật lắp ráp tại Việt Nam; máy kéo và máy nông nghiệp nhập khẩu từ các nức: Nga, Mỹ, Hàn Quốc sản phẩm đã qua sử dụng của

Nhật Bản, Hàn Quốc; các doanh nghiệp nhà nức (chủ yếu tập trung Tổng Công

ty máy động lực và máy nông nghiệp Việt Nam, VEAM - Bộ Công Thương); các cơ

s các địa phương Trong đó sản phẩm máy kéo và máy nông nghiệp nhập khẩu

ḿi từ Trung Quốc và đã qua sử dụng của Nhật chiếm khoảng 70% thị phần (báo cáo của Bộ Công Thương 2010) Cụ thể như sau:

Các loại động cơ diesel và xăng của VEAM chiếm 25% thị phần (hiện nay đã chế tạo được động cơ diesel dứi 30 CV), hàng đã qua sử dụng chiếm 20%, Trung

Quốc chiếm 50% và 5% nhập khẩu từ các nức khác Còn riêng các loại động cơ 3

hoặc 4 xy lanh từ 30 - 50 HP thì chúng ta nhập khẩu từ nức Trung Quốc, Nhật, Nga, Mỹ, [25]

Hình 1.2 Thị phần động cơ phục vụ cho nông nghiệp Việt Nam.[25]

Máy x́i nhỏ dứi 15 HP chủ yếu là máy đã qua sử dụng và máy Trung Quốc chiếm 90% thị phần Máy Bông Sen (công ty máy kéo, máy nông nghiệp) chiếm khoảng 10% khu vực phía Bắc, riêng máy x́i của VIKYNO chủ yếu xuất khẩu Các loại máy kéo 4 bánh khoảng 90% là sản phẩm đã qua sử dụng của Nhật (công

suất 24-37 CV), 10% còn lại được nhập khẩu từ Mỹ, Nga, Trung Quốc và một số ít được sản xuất tại các thành viên của VEAM Máy gặt lúa các loại (máy gặt đập liên

hợp, máy cắt lúa xếp dãy, máy cắt lúa cầm tay): Năm 2007-2009 khoảng 60-70% máy gặt đập liên hợp lúa nhập khẩu ḿi từ Trung Quốc, máy đã qua sử dụng của Hàn Quốc, còn lại do các cơ s tư nhân đồng bằng sông Cửu Long, của VINAPPRO và Cơ khí An Giang (chủ yếu máy cắt lúa xếp dãy), đến nay máy gặt liên hợp lúa KUBOTA lắp ráp tại Việt Nam và của các cơ s tư nhân chế tạo đang

dần thay thế máy gặt liên hợp lúa Trung Quốc các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long.[3]

Nhu câu sử dụng động cơ đôt trong noi chung va động cơ diesel noi riêng trong hoa ̣t đô ̣ng sản xuât nông nghiê ̣p nông thôn la rât lơn Thực tra ̣ng hiê ̣n nay la

nông dân vê cả chât lượng va sô lượng Nguôn động cơ chủ yêu được sử dụng la nguôn đô ̣ng cơ được sản xuât lă p rap ở nươc ngoai va nhâ ̣p khẩu phân phôi ta ̣i Viê ̣t Nam Sự cân thiêt co được mô ̣t kiểu loa ̣i đô ̣ng cơ n ội địa chất lượng cao, giá rẻ phù hợp vơi nhu câu cho nông nghiê ̣p la rât câp bach va cân được xuc tiên nghiên cưu ,

thiêt kê va ưng dụng Doăđóăđ tài này s t p trung vào vi c nghiên c u hoàn

thi n quá trình hình thành h n h păcháyătrênădòngăđ ngăc ă3ăxy lanh ph bi n nông thôn Vi t Nam, góp ph ần nâng cao chấtăl ng ngu năđ ng l căvƠăđẩy nhanhăquáătrìnhăc ăgi i hóa cho ngành nông nghi p hi n nay

Năng lượng là nhân tố quan trọng nền kinh tế mỗi quốc gia nói riêng và thế

gíi nói chung Hiện nay, về phương diện thương mại thì 90% lượng năng lượng được giao thương có nguồn gốc hóa thạch như: dầu thô, than đá, các loại khí đồng hành…nhưng các loại năng lượng này hầu như không thể phục hồi hay tái sinh được (sourie et al, 2006) Một điều đặc biệt là phần ĺn lượng năng lượng cung cấp cho thế gíi lại có nguồn gốc từ những khu vực bất ổn về chính trị trên thế gíi (khu

vực Trung Đông, các vùng biển tranh chấp….) Điều này ảnh hư ng rất ĺn đến tình hình kinh tế và xã hội của Viêt Nam do phần ĺn lượng nhiên liệu trên thị trư ng là

nhập khẩu từ nức ngoài ( lượng nhập khầu hàng tháng vào khoảng 1,5 triệu tấn) và

có xu hứng tăng dần theo đà phát triển của kinh tế, làm thất thoát một lượng ĺn ngoại tệ ra nức ngoài, trong khi công suất tối đa của nhà máy Dung Quất cũng chỉ vào khoảng 6,5 triệu tấn/năm Từ đây đặt ra một yêu cầu cấp thiết cho việc tìm nguồn nhiên liệu thay thế để đáp ứng nhu cầu của nền kinh tế trong th i kì khủng hoảng năng lượng như hiện nay

Giá năng lượng cũng là một nhân tố quyết định sự lành mạnh của một nền kinh tế Sự dao động thất thư ng của giá nhiên liệu sẽ tạo ra các hiệu ứng dao động

thất thư ng cho nền kinh tế như một mắt xích liên kết chặt chẽ v́i nhau, ví dụ như: giá nhiên liệu giảm sẽ dẫn đến chi phí sản xuất cũng như chi phí vận chuyển giảm khi đó giá thành sản phẩm bán ra thị trư ng cũng giảm, kích thích sức mua của khách hàng là cho nền kinh tế tr nên sôi động, và ngược lại Do đó việc đòi hỏi có

một nguồn nhiên liệu ổn định là một yêu cầu cấp thiết của mọi nền kinh tế, đây cũng là cơ s để dự đoán được khả năng phát triển bền vững của một nền kinh tế trong tương lai Nhưng thực chất hiện nay giá cả các loại năng lượng thị trư ng Việt Nam hiện đang biến động hết sức phức tạp làm ảnh hư ng không tốt đến nến kinh tế nội địa, tạo áp lực lên đ i sống của ngư i lao động trong nức Biểu đồ sau

đây cho thấy sự bất ổn về giá nhiên liệu hiện nay (Nguồn Gas Buddy 2009)

Hình 1.3 Biểu đồ biến động giá nhiên liệu từ năm 2004 đến 2009 [33]

- Việc sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc sinh học (biodiesel) sẽ giúp khắc phục các khó khăn mà các loại nhiên liệu thông thư ng có nguồn gốc hóa thạch đang đặc

ra cho nền kinh tế như:

+ Làm giảm sự phụ thuộc của nền kinh tế vào các loại nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt

+Từ nhận thức trên sẽ kích thích nhu cầu sử dụng các loại nhiên liệu thay thế tăng cao, khi đó thị trư ng nhiên liệu này sẽ được m rộng làm cho thị trư ng nhiên

liệu hóa thạch giảm nhiệt đi đến ổn định giá nhiên liệu trong tương lai

+ Tạo việc làm cho nhiều lao động đang thất nghiệp trong th i kỳ khủng

hoảng kinh tế hiện tại

+ Giảm lượng ngoại tệ thất thoát ra nức ngoài do nhập khẩu nhiên liệu

Từ các lợi thế trên, việc sử dụng rộng rải Biodiesel sẽ góp phần giúp nền kinh tế

thế gíi phát triển ổn định và bền vững

V Chính tr

Như đã đề cập trên, do lượng nhiên liệu hóa thạch trên trái đất phân bố không đồng đều nên xảy ra sự phụ thuộc về nhiên liệu giữa các quốc gia trên thế gíi Điều này làm nảy sinh các bất đồng về quyền lợi về mặt kinh tế dẫn đến các mâu thuẩn nhạy cảm trong chính trị, đối ngoại Các tranh giành quyền lợi, chủ quyền lãnh thổ hay thậm chí các cuộc chiến tranh đã nổ ra mà nguyên nhân sâu xa là do nguồn nhiên liệu hóa thạch quý giá nhưng đang dần cạn kiệt Nức ta là một đất nức có nguồn tài nguyên năng lượng khá phong phú nên ảnh hư ng về quyền lợi trong vấn

đề này cụng khá ĺn đặc biệt các vấn đề về tranh chấp lãnh hải trên biển Đông Cũng như các cuộc tranh cãi không có lối ra cho các vấn đề về việc chia sẽ trách nhiệm của các quốc gia trức tình hình ô nhiễm địa cầu cũng như hiện tượng nóng lên của trái đất Điều này đã tạo nên sự mâu thuẩn sâu sắc trong các chính sách đối ngoại của các cư ng quốc công nghiệp trên thế gíi (như Trung Quốc, Mỹ,

n Độ…)

Tất cả những mâu thuẫn trên xuất phát từ nguồn năng lượng hóa thạch đã lỗi

th i, việc sử dụng nhiên liệu sinh học ḿi (biodiesel) để thay thế có thể giải quyết căn bản các mâu thuẫn trên Phần nào giúp ổn định tính hình chính trị bất ổn trên

thế gíi hiện nay Đồng th i đây cũng là cách thể hiện trách nhiệm của mỗi quốc gia, mỗi cộng đồng đối v́i môi trư ng chung thế gíi và giữ gìn một thế gíi lành

mạnh cho con em chúng ta trong tương lại

V môiătr ng

Khí thải từ các phương tiện sử dụng nhiên liệu diesel hiện nay có chứa rất nhiều các chất độc hại gây ô nhiễm môi trư ng, thậm chí được cho là có nguy cơ gây ung thư ngư i khí cháy của diesel đã bị bộ tài nguyên không khí California (California Air Resources Board) xếp vào nhóm các chất gây ô nhiễm độc hại (Toxic Air Contaminant) năm 2004 Và đây cũng là chủ đề chính trong nhiều cuộc

hội thảo của các viện khoa học nghiên cứu ảnh hư ng khí thải đến sức khỏe con ngư i (Health Effect Institute)

Biodiesel là loại nhiên liệu có nguồn gốc sinh học, đã được kiểm chứng là loại nhiên liệu thân thiện v́i môi trư ng Lượng khí thải độc hại của nhiên liệu này

giảm 50% so v́i nhiên liệu diesel có nguồn gốc hóa thạch (lindhjem et al, 2003)

Việc sử dụng rộng rải nhiên liệu Biodiesel trong tương lai có tác dụng làm giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính (greenhouse gas) trên thế gíi do các loại nhiên liệu thư ng dùng trong hiện tại có nguồn gốc hóa thạch (diesel, xăng, khí nén…) Biểu đồ sau đây thể hiện hàm lượng khí thải đồng hành v́i các loại nhiên liệu Biodiesel (nguồn EPA 2010)

Hình 1.4 So sánh hàm lượng khí CO trong khí thải khí thải Biodiesel và

Diesel.[33]

Các nghiên cứu cho thấy rằng khí thải của nhiên liệu Biodiesel có ít tác động sấu đến con ngư i hơn khí thải từ Diesel do nó chứa ít các chất thơm (aromatic) Nhiên liệu Biodiesel càng tinh khiết thì nó càng chứa ít các chất gây ung thư cho con ngư i (polycyclic aromatic hydrocarbons) Hầu như các chất độc hại trong khí

thải của động cơ diesel sẽ giảm đi 75 đến 85% khi sử dụng Biodiesel (Lindhjem et

al, 2003) Biodiesel cũng ít tác động đến phổi do nó giảm lượng khí thải gậy hen suyễn và các rối loạn khác đến 70% Việc sử dụng Biodiesel trên động cơ diesel có tác dụng rất ĺn đến việc cắt giảm khí thải, từ đó làm cho môi trư ng trong sạch hơn Nhìn chung, lượng khí thải có hại của Biodiesel (HC,CO, chất thơm và các hóa chất khác) thấp hơn rất nhiều so v́i các khí thải từ nhiên liệu Diesel hóa thạch, chỉ

có một một loại chất không có lợi tồn tại trong khí thải Biodiesel có hàm hượng tương đối cao hơn so vơi nhiên liệu hóa thạch đó là oxit nitơ Hình bên dứi thể hiện lượng khí thải trung bình của nhiên liệu Biodiesel khi sử dụng trên động cơ diesel, chúng ta sẽ dễ dàng nhận thấy được tính vượt trội về lợi ích mà việc sử dụng nhiên liệu Biodiesel mang lại, đặc biệt khi tỉ lệ hòa trộn càng cao (nguồn EPA 2010)

Hình 1.5 Lượng khí thải trung bình của nhiên liệu Biodiesel khi sử dụng trên động

cơ diesel.[33]

Việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng những loại nhiên liệu ḿi Việt Nam đã được triển khai trong những năm gần đây Nhằm bắt kịp những xu hứng phát triển năng lượng ḿi của thế gíi, giải quyết giảm thải ô nhiễm khí thải, giảm

tải cho nguồn năng lượng không tái tạo được và nâng cao tính kinh tế, viê ̣c nghiên cưu ứng dụng nhiên li ệu sinh học biodiesel trên đô ̣ng cơ diesel phục vụ sản xuât

nông nghiê ̣p va nông thôn la thâ ̣t sự quan tro ̣ng va câp thiêt

1.2 Tình hình nghiên c uătrongăvƠăngoƠiăn căvêăđ ngăc ă 3 xyălanhăs ̉ ăsu ̣ngă

nhiênăliê ̣uăsinhăho ̣c

1.2.1 Tình hình nghiên c uă ̉ ăn căngoai :

 Tình hình nghiên c u n c ngoài v đ ngăc ă3ăxy lanh

Viê ̣c nghiên cưu đô ̣ng cơ 3 xy lanh sử dụng nhiên liê ̣u biodiesel được thực hiê ̣n trên 2 phương thưc la thực nghiê ̣m va mô phỏng Có rất nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực nay đ ặc biệt trong việc cải thiện quá trình phun và tạo hỗn hợp cháy trong buồng cháy Sau đây xin giơi thiê ̣u mô ̣t sô công trinh nghiên cưu vê đô ̣ng cơ sử dụng nhiên liê ̣u biodiesel đã được công bô trên thê giơi

Nhóm tác giả D Coltman, H Nuglisch, R Curtis, D Blake, B Holland, R J Pearson, A Arden, J.W.G Turner tại công ty Lotus Engineering Anh, đã tiến hành

“Nguyên cứu dự án: Động cơ 3 xy lanh phun trực tiếp tại khoảng cách gần v́i công nghệ điều phối để đạt khí thải CO2 phát ra thấp” Kêt quả nghiên cưu được công bô trên ta ̣p chi SAE năm 2009

Nhóm tác giả Christof Schernus, Carsten Dieterich, Carolina Nebbia, Andreas Sehr, Rolf Weinowski, Stefan Wedowski tại công ty FEV Motorentechnik GmbH,

đã tiến hành “Nguyên cứu khả năng tăng áp nạp của động cơ phun xăng trực tiếp được rút gọn v́i 2 và 3 xy lanh” Kêt quả nghiên cưu được công bô trên ta ̣p c hí SAE năm 2011

Tác giả April Covington, nghiên cứu quá trình hòa trộn, quá trình cháy và phát

thải trên động cơ Kubota EA330 sử dụng buồng cháy xoáy lốc TVC v́i loại nhiên liệu JP8 Kết quả cho thấy rằng sự kết hợp 30-50% nhiên liệu JP8 vào diesel (J30,

J50) không ảnh hư ng đến công suất của động cơ nhưng giúp giảm đáng kể lượng Nox và bồ hóng sinh ra trong khí thải

Nhóm tác giả B Tesfa, R Mishra, F Gu, A.D Ball tư trương đa ̣i ho ̣c Huddersfield, thành phố Huddersfield , nươc Anh Họ đã tiế n hanh nghiên cưu đă ̣c tính cháy của động cơ sử dụng nhiều loại nhiên liệu biodiesel được pha loãng theo nhiêu tỉ lê ̣ khac nhau Kêt quả thi nghiê ̣m được công bô ta ̣i hội nghi ̣ quôc tê vê năng lượng mơi năm 2011

Nhóm tác giả James P Szybist va André L Boehman đên tư đa ̣i ho ̣c bang Pennsylvania, đã tiên hanh nghiên cưu ảnh hưởng của hê ̣ thông phun nhiên liê ̣u vơi loại nhiên liệu biodiesel Kêt quả nghiên cưu được công bô trên ta ̣p chi SAE năm

2003

Tình hình s n xu ấtăvƠăkinhădoanhăđ ngăc ă3ăxyălanhă ăn căngoƠi:ă

Các máy nông nghiệp được trang bị đông cơ 3 xy lanh trên thế gíi có các thương hiệu sau:

Thương hiệu LOMBARDINI của Anh Quốc sản xuất động cơ Diesel 3 xy lanh serie 11LD v́i công suất 30.9 kW/42 HP tại 3000 rpm, dung tích 1870 cm3 Thương hiệu JOHN DEERE của Pháp sản xuất động cơ Diesel 3 xy lanh 3029DF150 v́i công suất 36kW/48HP tại 2500 rpm, dung tích 2.9L

Thương hiệu EICHER của n Độ sản xuất động cơ 3 xy lanh dành cho máy kéo EICHER 5660 TRACTOR v́i công suất 37.5 kW/50HP v́i dung tích

3300cm3

MITSHUBISHI SHAKTI MT180D của n Độ công suất 18.5HP v́i dung tích 900cm3

Thương hiệu KUBOTA của Nhật Bản sản xuất dòng KUBOTA 03-M

SERIES D1703, D1803 v́i công suất 26.1-27.9 kW/34.8-37.2 HP v́i dung tích 1.647(1.826) L

Thương hiệu YANMAR của Nhật Bản sản xuất các dòng 3TNM6B, 3TNM72

v́i công suất 14.1-17.6 kW/18.9-23.6 HP, v́i dung tích 0.784-0.903 L

Và một số thương hiệu khác…

1.2.2 Tình hình nghiên c uă ̉ ătrongăn c:

Nhận biết được tính cấp thiết của việc đáp ứng nhanh nguồn động lực cho quá trình cơ gíi hóa nông nghiệp nông thôn trong nức và bắt kip sự phát triển khoa học kỹ thuật và công nghệ của thế gíi thì hoạt động nghiên cứu và sử dụng nguồn nhiên liệu sinh học trên động cơ 3 xy lanh đã được nhiều tác giả trong nức nghiên

cứu và công bố :

 Tình hình nghiên c u:

Viê ̣c nghiên cưu loa ̣i nhiên liê ̣u biodiesel trên đô ̣ng cơ đã va đang được tiên hành Các nhóm nghiên cứu chủ yếu đến từ các trư ng đại học tiêu biểu như : ĐH Bách Khoa TP HCM, ĐH Bach Khoa Đa Nẵng , Viê ̣n cơ khi đô ̣ng lực - ĐH Bach Khoa Ha Nô ̣i Có thể kể đến như sau :

Nhóm tác giả Phạm Xuân Mai, Huỳnh Thanh Công va Nguyễn Đình Hùng đã nghiên cứu bức đầu về các phương pháp hòa trộn hỗn hợp khả thi của nhiên liệu biodiesel có nguồn gốc thực vật, trong buồng cháy của một động cơ Diesel 3 xy lanh phun gián tiếp Kết quả nhận được cho thấy phương pháp hòa trộn hỗn hợp

kiểu 3 vòng xoáy (Three Vortex Combustion System – TVC) tỏ ra rất phù hợp và

có tính khả thi cao Kêt quả nghiên cưu được công bô ta ̣i Hội nghị khoa học và công nghệ lần thứ 12: Kỹ thuật Ô tô - Động cơ Nhiệt

Nhóm tác giả Ph ạm Xuân Mai đã nghiên c ứu nhu câu va khả năng ưng dụng nhiên liê ̣u sinh ho ̣c biodisel trên đ ộng cơ nhiều xy-lanh công suất ĺn nhằm mục đích cơ gíi hóa nông nghiệp, dịch vụ và vận tải nông thôn Kêt quả nghiên cưu được công bô ta ̣i Hội nghị khoa học và công nghệ lần thứ 12: Kỹ thuật Ô tô - Động

cơ Nhiệt

Tác giả Nguyễn Vương Chí đã phân tích và so sánh tính chất của nhiên liệu biodiesel dầu dừa so v́i nhiên liệu diesel dứi một góc độ sử dụng cho động cơ đốt trong qua phần tính tóan nhiệt động lực học Nghiên cứu này, trình bày các kết quả trong khuôn khổ triển khai đề tài nghiên cứu cấp trư ng T-KTGT_2004-35 theo

hợp đồng số 205/ĐHBK/KHCN&QHQT

Nhóm tác giả Trần Thanh Hải Tùng , Lê Anh Tuân va Pha ̣m Minh Tuân đã nghiên cưu sử dụng nhiên liê ̣u sinh học biodiesel lam tư mỡ ca basa va nhiên liê ̣u khí hóa lỏng LPG trên động cơ diesel truyên thông Kêt quả nghiên cưu được đăng trên Ta ̣p chi Khoa ho ̣c Công nghê ̣ Hang Hải sô 21-01/2010

Trương Văn Ngọc, Nghiên Cứu Mô Phỏng Động Cơ Diesel 3 Xy Lanh Theo Hứng Sử Dụng Nhiên Liệu Sinh Học, đề tài mô phỏng quá trình cháy và phát thải

của động cơ 3 xy lanh phun gián tiếp có buồng cháy xoáy lốc Tree Vortex, sử dụng

phần mềm Ricado Wave , kết quả được đăng trong luận văn thạc sĩ, trư ng đại học Bách Khoa, đại học quốc gia TP.HCM, năm 2010

Trần Thanh Vũ, nghiên cứu mô phỏng động cơ diesel ba xy lanh phun gián

tiếp sử dụng nhiên liệu biodiesel, đề tài đã mô phỏng quá trình cháy của các loại nhiên liệu biodiesel từ dầu Jatropha (B0,B10, B30), sử dụng phần mềm AVL BOOST kết quả của đề tài cho thấy rằng công suất và mô men của động cơ sử dụng nhiên liệu biodiesel không khác nhiều so v́i sử dụng diesel, trong khi đó hàm lượng khí thải độc hại được giảm đi đáng kể Kết quả thu được trong luận văn thạc

sĩ, trư ng đại học Bách Khoa, đại học quốc gia TP.HCM, năm 2012.[9]

 Tình hình s n xuất vƠăkinhădoanhăăđ ngăc ă3ăxyălanhă ăVi tăNam

Hiện nay tại Việt Nam các thương hiệu kinh doanh và sản xuất động cơ 3 xy lanh gồm có các hãng như: ESEKI, SHIBAURU (Máy cày SHIBAURA SD1843 4WD), YANMAR (Máy cày YANMAR F20 2WD), HINOMOTO (Máy cày HINOMOTO E2604 4WD), KUBOTA Nhưng trong đó về thị phần động cơ 3xy lanh thì hãng Kubota chiếm đa số thị phần Việt Nam.[4]

1.3 M cătiêuăvƠăđ iăt ng nghiên c u

1.3.1 M c tiêu nghiên c u:

- Thực hiện nghiên cưu mô ph ỏng quá trình tạo hỗn hợp đô ̣ng cơ Diesel 3 xy lanh kết hợp buồng cháy Three Vortex Combustion sử dụng nhiên liê ̣u Biodiesel băng phần mềm mô phỏng ANSYS 14.0

- Đê xuât và c ải tiến động cơ Diesel 3 xy lanh kết hợp buồng cháy Three Vortex Combustion cho phù hợp v́i việc sử dụng nhiên liệu biodiesel nông thôn

Việt Nam

1.3.2 Đ iăt ng nghiên c u:

Đối tượng nghiên cứu là động cơ Diesel 3 xy lanh phun gián tiếp sử dụng

buồng cháy xoáy lốc Three Vortex Combustion dung trong nông thôn Viê ̣t Nam

1.4 Nhi m v và ph m vi nghiên c u c aăđ tài

1.4.1 Nhi m v

Đê tai được tâ ̣p trung nghiên cưu vơi những nhiệm vụ chính sau :

- Nghiên cưu khảo sat đanh gia nhu câu sử dụng động cơ Diesel 3 xy lanh ở Viê ̣t Nam

- Nghiên cứu một số loại nhiên liệu Biodiesel: tính chất lý-hóa ảnh hư ng đến

khả năng hòa trộn trong buồng cháy, độ ô nhiễm môi trư ng, khả năng ứng dụng thực tế, phương pháp sản suất và đưa ra thị trư ng

- Nghiên cưu mô phỏng qua trinh ta ̣o hỗn hợp cháy trong động cơ Diesel 3 xy lanh phun gián tiếp có buồng cháy TVC, sử dụng nhiên liê ̣u Biodiesel Phân tích và đánh giá kết quả mô phỏng

- Nghiên cưu c ải tiến kết cấu buồng cháy của động cơ Diesel 3 xy lanh phun gián tiếp kết hợp buồng cháy Three Vortex Combustion để phù hợp đặc biệt cho

việc sử dụng nhiên liê ̣u Biodiesel b ằng phần mềm mô phỏng Phân tích và so sánh các kết quả thu đươc giữa các kết cấu cải tiến

- Đê xuât hương phat triển va những công viê ̣c cần xúc tiến trong tương lai

1.4.2 Ph m vi nghiên c u:

Đề tài chỉ gíi hạn trong việc nghiên cứu quá trình tạo hỗn hợp cháy v́i nhiên liệu Biodiesel trên động cơ KUBOTA 3 xy lanh sử dụng buồng cháy TVC;

đưa ra các giải pháp cải tạo các chi tiết liên quan để nâng cao hiệu quả quá trình hòa trộn nhiện liệu

1.5 Ph ngăphápănghiênăc u

 Ph ơng pháp ỏh ng kê, phân tích: bao gồm thu thập, phân tích, xử lý, tổng

hợp số liệu từ tài liệu sưu tầm được và các kết quả nghiên cứu liên quan Phương pháp này được sử dụng xuyên suốt trong quá trình thực hiện đề tài

 Ph ơng pháp ỏính ỏoán ệý ỏhỐyết và mô ph ng: tính toán lý thuyết và xây

dựng mô hình mô phỏng lý thuyết để phân tich cac kêt quả mô phỏng Đây cũng là phương pháp nghiên cứu chủ yếu xuyên suốt các tiến trình của đề tài

 Ph ơng pháp nghiên cứu tính toán thiết kế: tính toán thiết kế mô hình và từ

đó tìm ra các thông số cần thiết cho công viê ̣c mô phỏng

 Ph ơng pháp nghiên cứu thực nghi m: tìm hiểu nghiên cứu thực nghiệm và

đo đạt động cơ mẫu bằng các thiết bị chuyên dùng, tư đo thu thâ ̣p sô liê ̣u để tiến hành thiết lập mô hình mô phỏng

Ch ng 2

C ăS ăLụăTHUY T

2.1 S hình thành h n h păcháyătrongăđ ngăc đ t trong

2.1.1 S phát triển c a tia phun nhiên li u

Dựa vào tốc độ, đặc tính của chất lỏng, và môi trư ng khí xung quanh mà sự phát triển của tia phun được kiểm soát theo các chế độ phân rã khác nhau Các cơ chế khác nhau này được xác định b i khoảng cách giữa vòi phun và điểm hình thành các hạt nhiên liệu đầu tiên của tia phun, khoảng cách này được gọi là độ dài phân rã (break-up length) và kích thức mà các hạt nhiên liệu được hình thành Theo Reitz và Braco [34] có bốn trạng thái phát triển một tia phun nhiên liệu có thể phân biệt: trạng thái Rayleigh, trạng thái cảm ứng gió thứ nhất, trạng thái cảm ứng gió thứ hai, và trạng thái phun sương

Hình 2.1.Trạng thái phân rã tia phun Các trạng thái phát triển tia phun được mô tả sơ lược qua hình 2.2 Nếu kết cấu vòi phun phù hợp và tính chất nhiên liệu không đổi thì chỉ có một yếu thay đổi

đó là tốc độ phun chất lỏng u Hình 2.3 biểu diễn đư ng cong phát triển của tia phun

Hình 2.2 Các tr ạng thái phun Hình 2.3 Đặc tính phát triển tia phun

vận tốc thấp, hiện tượng nhỏ giọt xuất hiện và không hình thành được tia phun Khi vận tốc tăng thì quá trình hình thành và phát triển tia phun liên tục được đẩy nhanh Trạng thái này được gọi là phân rã Rayleigth [22]

trạng thái phun cảm ứng gió thứ nhất, thông số quan trọng của trạng thái này là chỉ số Weber đối v́i pha khí , chỉ số này cho thấy sự ảnh

hư ng của môi trư ng khí xung quanh đến tia phun Trong trạng thái phát triển tia phun cảm ứng gió thứ hai, dòng nhiên liệu bên trong vòi phun bắt đầu dao động và tạo nên xoáy lốc Sự phân rã tia phun lúc này xảy ra chủ yếu do sự phát triển không

ổn định của các sóng bề mặt có bức sóng ngắn được sinh ra b i sự chảy rối bên trong tia phun và được khuếch đại b i khí động lực của tốc độ tương đối giữa tia phun và khí trong buồng cháy

Trạng thái phun sương (atomization regime) đạt được khi chiều dài ISL tiến đến 0 Khi một tia phun hình nón được hình thành và phát triển, thì tia phun bắt đầu phân rã ngay sau khi tia phun r i khỏi vòi phun, các chuyển động xoáy lốc trong tia phun hình nón được hình thành ngay từ bên trong vòi phun Việc mô hình hóa hoàn chỉnh quá trình phân rã này hết sức phức tạp và gặp nhiều khó khăn do tốc độ

tia phun quá cao, không gian quan sát hẹp và mật độ tia phun lại quá lơn

2.1.2. S phân rã đ ng h c c a các h t nhiên li u:

S ự phân rã của các hạt trong tia phun được tạo nên b i lực khí động học (ma sát và áp suất) được hình thành b i vận tốc tương đối u rel giữa hạt nhiên liệu và các khí xung quanh Các lực khí động tạo nên một sự phát triển các sóng dao động

không ổn định trên bề mặt hay trên toàn bộ hạt nhiên liệu, điều này cuối cùng dẫn đến sự phân rã và hình thành các hạt nhiêu liệu nhỏ hơn Các hạt này lại tạo điều

kiện để thúc đẩy mạnh hơn các lực khí động cho quá trình phân rã Lực căng mặt ngoài mặt khác lại giữ cho các hạt nhiên liệu có dạng cầu và chống lại lực biến

dạng Lực căng mặt ngoài phụ thuộc vào độ cong của bề mặt: Hạt càng nhỏ thì lực căng càng ĺn và vận tốc tương đối t́i hạn càng ĺn, điều này dẫn t́i sự biến dạng

và sự phân rã của hạt nhiên liệu Trạng thái này được biểu diễn b i chỉ số Weber cho pha khí:

(1)

V́i d là đư ng kính hạt nhiên liệu trức khi phân rã; σ là sức căng bề mặt giữa pha lỏng và pha khí urel là vận tốc tương đối giữa hạt nhiên liệu và không khí;

Chỉ số Weber đại diện cho hệ số khí động (áp suất động học) và lực căng mặt ngoài

Hình 2.4 Các trạng thái phân rã hạt chất lỏng theo Wierzba.[11]

dạng phân rã hạt khác nhau Một sự mô tả chi tiết được cho đưa ra b i Hwang et al [12] và Krzeczkowski [13] là một ví dụ Hình trên biểu diễn các giai đoạn phân rã

của hạt chất lỏng Cần phải thấy rằng sự chuyển tiếp chỉ số Weber là khống nhất quán trong các nghiên cứu được công bố Điều này đặc biệt đúng v́i trạng thái phân rã có chỉ số weber cao Khi đó một số nhà nghiên cứu còn phân biệt giữa các

chế độ phân rã phụ Trong khi sự dao động chỉ số Weber của Wierzba [11] là cùng khoảng giá trị v́i của Krzeczkowski [13], thì Arcoumanis et al [14], lại phân biệt

giữa 2 loại phân rã bốc dần (stripping Break-up), trong bảng 1.1, bao gồm các dãy

chỉ số Weber từ 100 đến 1000 và phân rã hỗn loạn (chaotic break-up) khi chỉ số Weber vượt quá mức 1000

Hình 2.5 Sự phân rã thứ cấp của các hạt Newton [30]

B ng 2.1 s ự chuyển dịch hệ số Weber trong các trư ng hợp phân rã [10]

Trong tia phun của động cơ, tất cả các chế độ phân rã của nhiên liệu đều xuất hiện Tuy nhiên, hầu hết sự phân rã diễn ra vùng gần vòi phun có chỉ số Weber cao Trong khi vùng xa vòi phun thì có chỉ số Weber đặc biệt nhỏ hơn do đư ng kính của các hạt nhiên liệu giảm dứi tác dụng của quá trình phân rã trức đó và do

sự giảm tốc độ tương đối giảm dứi tác dụng của lực kéo

2.1.3. C ăch phân rã c a tia phun nhiên li u.

a Tiaăphunăhìnhăchópăđặc

Hình 2.6 Cấu trúc tia phun nhiên liệu

Cơ chế phân rã của tia nhiên liệu này nhìn chung gồm 3 vùng:

 Vùng phân rã sơ cấp (primary break-up): là phần nhiên liệu vừa được phun

ra khỏi vòi phun và do nhiên liệu được phun trạng thái phun sương ( khoảng 200Mpa) nên phần nhiên liệu này sẽ tham gia ngay vào quá trình phân rã Cấu trúc của tia phun khu vực này được tạo thành chủ yếu do:

+ Thứ nhất là chuyển động xoáy

(turbulence) của dòng nhiên liệu tạo ra khi đi qua

lỗ phun nhiên liệu (ống tiết lưu), nhiên liệu từ

vùng có thể tích ĺn (sac hole) qua vòi phun

(injection hole) làm tăng độ chảy rối và hình

thành chuyển động xoáy Chuyển động xoáy này góp phần cung cấp năng lượng

Hình 2.7 Xoáy lốc trong tia phun

động xoáy của dòng nhiên liệu có tần suất cao thì các hạt nhiên liệu hoàn toàn có thể tách khỏi tia phun ngay khi ra khỏi vòi phun

+ Thứ hai (cavitation) là hiện tượng hình

thành bọt khí trong vòi phun, hiện tượng này

hình thành do nhiều nguyên nhận như nhiệt độ tại

đầu kim phun cao làm nhiên liệu trong bọng

nhiên liệu đạt đến điểm sôi gậy ra bọt khí khi đi

qua vòi phun hay khi nhiên liệu đi qua lỗ phun

(ống tiết lưu) là xuất hiện các khoảng trống chứa không khí vùng biên của dòng nhiên liệu (như hình vẽ) và đây cũng là một nguyên nhân tạo ra kết cấu dạng côn của tia nhiên liệu

+ Thứ ba là áp suất của môi trư ng bên

ngoài vòi phun, tia phun ra khỏi vòi phun v́i

tốc độ rất ĺn (500m/s) gặp áp suất cao trong

buồng cháy sẽ tạo nên các lực cản khí động

(areodynamic force) như lực cắt (shear force),

lực nén, kết hợp v́i các dao động sóng bề mặt

tia phun do chuyển động xoáy hình thành khi còn trong lỗ phun, làm khuếch đại các dao động của tia nhiên liệu vùng biên từ đó các hạt nhiên liệu đầu tiên tách ra khỏi tia phun, nhưng giai đoạng này tác dụng của lực cản khí động chưa rỏ ràng, các hạt nhiên liệu tách ra khỏi nhiên liệu chưa nhiều, cấu trúc bên trong của tia nhiên liệu chưa bị ảnh hư ng

+ Thứ tư là sự phục hồi của tia phun khi ra

khỏi lỗ phun, khi chuyển động trong lỗ phun dòng

nhiên liệu bị gíi hạn b i các điều kiện chuyển

động trong đư ng ống, áp suất nén, tốc độ cao và

chịu dao động xoáy trong không gian hẹp nên khi ra

khỏi vòi phun tia phun chuyển sang một trạng thái khác, hoạt động tự do hơn, vận tốc và dạng chuyển động phụ thuộc nhiều vào các yếu tố bên ngoài vòi phun

Hình 2.8 Hình thành bọt khí

trong tia phun

Hình 2.9 Dao động sóng trên tia

phun

Hình 2.10 Sự phục hồi của

tia phun

+ Thứ năm là áp suất phun nhiên liệu, đây là

yếu tố quan trọng nhất và nó ảnh hư ng và quyết

định các yếu tố khác để hình thành nên cấu trúc một

tia phun hoàn chỉnh ́p suất phun càng cao thì độ

phung sương của nhiên liệu càng tăng, giai đoạn phân

ra sơ cấp diễn ra nhanh chóng và tạo điều kiện cho

giai đoạn phân rã thứ cấp

 Vùng phân rã thứ cấp (Secondary break-up): sau giai đoạn đầu, tác dụng của các lực cản khí động lên tia nhiên liệu càng ĺn làm đẩy nhanh hoạt động tách các hạt nhiên liệu ra khỏi bề mặt của tia nhiên liệu Mật độ các hạt nhiên liệu độc lập trong khu vực này cao, các chuyển động của chúng cũng tương đối phức tạp, quá trình các hạt nhiên liệu tách ra rồi va chạm và kết hợp lại v́i nhau xảy ra một cách liên tục, bên cạnh đó chuyển động của không khí nén và nhiệt độ buồng cháy cũng góp phần hình thành cấu trúc đặc trưng cho tia phun giai đoạn này

Hình 2.11 So sánh áp suất phun nhiên liệu (bên trái 500bar, ph ải 1000bar) [15]

 Vùng hơi nhiên liệu (Evaporation): sau giai đoạn phân rã thứ hai, hầu hết các hạt nhiên liệu đã tách khỏi tia phun Các hạt nhiên liệu lúc này có bề mặt tiếp xúc v́i môi trư ng trong buống cháy ĺn nên nhanh chóng bay hơi và hòa trộn vào không khí trong buồng cháy Hơi nhiên liệu tập trung nhiều các vùng biên của tia phun do kích thức các hạt nhiên liệu đậy nhỏ, mật độ thấp nên tốc độ bay hơi cao hơn các hạt nhiên liệu trong phần lỏi tia phun

b Tiaăphunăchópăr ng

Để đạt được độ phân tán cực đại của chất lỏng áp lực phun trung bình và áp suất môi trư ng thấp, thì ngư i ta sử dụng chùm phun dạng hình chốp rỗng Tia phun hình chóp rổng được hình thành b i các hạt nhiên liệu có đư ng kính nhỏ, khả năng hòatrộn v́i không khí cao, giảm độ xuyên thấu và tạo nên khả năng phun sương hi ệu quả Các tia phun này được sử dụng trong các động cơ xăng truyền

thống, nhiên liệu được phun vào đư ng ống nạp và động cơ đánh lửa trực tiếp (DIST)

Hình 2.13 Tia phun dạng hình chóp rỗng [10]

Hình trên thể hiện cấu trúc cơ bản của tia phun loại hình chóp rỗng Nhiên liệu lỏng thoát ra từ vòi phun hình thành một màng chất lỏng dạng hình nón tự do trong

buồng cháy, và loãng dần khi tiến xa khỏi vòi phun theo định luật bảo toàn khối lượng, dẫn đến sự phân rã các hạt nhiên liệu Có hai dạng vòi phun chính là: kim

m từ bên trong (vòi phun xoáy lốc áp suất) và vòi phun kim m ngoài Trong trư ng hợp vòi phun xoáy lốc, một màng nhiên liệu lỏng dạng hình trụ và chuyển động xoay tròn mạnh được phun ra từ vòi phun Thành phần tốc độ gốc của tia phun, được tạo b i chuyển động xoáy, giúp hình thành màng chất lỏng có dạng hình chóp tự do Trong trư ng hợp vòi phun m ngoài, hình dạng kim phun tạo nên kết cấu hình chóp rỗng của tia phun

Vùng phân rã sơ cấp của màng chất lỏng được gây ra b i xoáy lốc và các lực khí động học Đầu tiên, màng nhiên liệu có độ dày là hs và góc tia phun là α tr nên mỏng dần theo định luật bảo toàn khồi lượng khi r i khỏi vòi phun Sự chảy rối được sinh ra bên trong vòi phun tạo nên sự hình thành nhiễu loạn ban đầu trên bề

mặt chất lỏng, quang phổ biên độ và tần số phụ thuộc vào dòng nhiên liệu trong lỗ phun Những sóng này phát triển không ổn định do tác dụng khí động học v́i các khí trong buồng cháy Tại biên độ góc, màng nhiên liệu bị xé nhỏ thành các dây chằn và dứi sự ảnh hư ng của lực cản mặt ngoài và các lực khí thể nhanh chóng làm các day chằn này thành các hạt nhiên liêu Bên cạnh các hiện tượng va chạm này thì sự phân rã tức th i của các hạt nhiên liệu nhỏ chuyển động quanh tia phun ngay tại vòi phun là hoàn toàn có thể xảy ra nều có đủ năng lượng động học xoáy

lốc Hiệu ứng này xảy ra chủ yếu điều kiện áp suất phun

Hình 2.14 cho thấy sự phát triển theo th i gian của tia phun mẫu tạo b i vòi phun xoáy lốc áp suất

Hình 2.14 Sự phát triển theo th i gian của chùm tia phun từ vòi phun

xoáy lốc áp suất [22]

Hình 2.15 Sự phát triển theo th i gian của dòng khí phụ quanh chùm tia phun từ

vòi phun xoáy lốc áp suất [10]

Sự phát triển theo th i gian và cấu trúc dạng chóp của tia phun tạo b i vòi phun áp suất xoáy lốc thì phụ thuộc nhiều vào điều kiện biên tạo b i không khí trong buồng cháy, mà nhân tố ảnh hư ng quan trọng nhất là tỉ trọng của không khí Hình 2.14 và 2.15 biểu diễn kết quả thực nghiệm của Gindele[10] Sự gia tăng áp

suất khí làm giảm mạnh góc nón β của chùm phun và làm tăng kích thức trung bình của các hạt nhiên liệu (SMD) Trong khi độ dài xuyên thấu S được giữ nguyên

hấu như không đổi khi áp suất phun đủ cao và có xu hứng giảm xuống trong trư ng hợp áp suất phun thấp Tùy vào th i điểm ban đầu của quá trình phun áp suất

buồng cháy sẽ thay đổi nhanh chóng phù hợp để tạo ra một dãy cấu trúc hoàn chỉnh

của tia phun tạo nên sự điều chỉnh cần thiết đảm bảo chất lượng cho quá trình hình thành hòa khí