Nghiên cứu quá trình cháy trong động cơ 3 xy lanh diesel phun gián tiếp có buồng cháy three vortex combustion (TVC), sử dụng nhiên liệu sinh học bio diesel (tham khảo động cơ 3 xy lanh KUBOTA d1703 m e3b

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HÙNG VIỆT NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ 3 XY LANH DIESEL PHUN GIÁN TIẾ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ

3 XY LANH DIESEL PHUN GIÁN TIẾP CÓ

BUỒNG CHÁY THREE VORTEX COMBUSTION (TVC)

SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC BIO - DIESEL

( THAM KHẢO ĐỘNG CƠ 3 XY LANH KUBOTA

D1703 - M - E3B)

S 0 2

S KC 0 0 4 2 2 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGUYỄN HÙNG VIỆT

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ 3

XY LANH DIESEL PHUN GIÁN TIẾP CÓ BUỒNG CHÁY THREE VORTEX COMBUSTION (TVC), SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC BIO-DIESEL (THAM KHẢO ĐỘNG CƠ 3 XY LANH KUBOTA D1703-M-E3B)

NGÀNH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC- 605246

Hướng dẫn khoa học:

PGS.TS PHẠM XUÂN MAI

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013

i

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ & tên: Nguyễn Hùng Việt Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 08/08/1988 Nơi sinh: Bình Định

Quê quán: Cát Thắng - Phù Cát - Bình Định Dân tộc: Kinh

Địa chỉ liên lạc: 23/6 B Đường 4 - Tăng Nhơn Phú B - Quận 9 - Tp.HCM

E-mail: vietnguyenckd@gmail.com; vietnguyenckd@yahoo.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Cao đẳng:

Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 10/2006 đến 10/2009

Nơi học (trường, thành phố): Trường CĐKT Lý Tự Trọng Tp.HCM - Tp.HCM Ngành học: Công nghệ kỹ thuật ôtô

2 Đại học:

Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2009 đến 03/2011

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Ngành học: Cơ khí động lực

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp:

Nghiên cứu động học và động lực học xe Toyota Vios

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 21/01/2011, Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM

Người hướng dẫn: GVC.MSC Đặng Quý

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

08/2011 - 10/2011 Công ty cổ phần dịch vụ

ô tô Hàng Xanh Nhân viên bảo hành

10/2011 - Nay Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 10 năm 2013

Người nghiên cứu (Ký tên và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Hùng Việt

iii

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến:

- Ban giám hiệu, Bộ phận Sau Đại học - Phòng Đào tạo, quý thầy cô khoa

cơ khí động lực trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM, quý thầy cô khoa cơ khí giao thông - Bộ môn ô tô, máy động lực trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tôi trong thời gian học tập và hoàn thành luận văn

- PGS.TS Phạm Xuân Mai - Giảng viên hướng dẫn Thầy đã tận tình

hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi nhất trong suốt thời gian thực hiện luận văn này Xin kính chúc Thầy luôn mạnh khoẻ, vui tươi và hạnh phúc

- Các thầy cô trong hội đồng chấm luận văn đã cho tôi những đóng góp quý báu để hoàn chỉnh luận văn này

- Các học viên lớp Cao học Kỹ thuật cơ khí động lực 2011 B đã có nhiều hỗ trợ và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

- Đặc biệt, xin gửi lòng biết ơn sâu sắc đến ba má và người thân đã cổ vũ, động viên và tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành luận văn

Mặc dù rất nổ lực, nhưng do kiến thức còn hạn chế, thời gian có hạn và thiết bị

hỗ trợ thiếu thốn nên khó tránh khỏi những thiếu sót Kính mong Quý Thầy Cô và

các bạn góp ý thêm để đề tài nghiên cứu này sớm được áp dụng vào thực tế

Xin chân thành cảm ơn!

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 10 năm 2013

Học viên

Nguyễn Hùng Việt

iv

TÓM TẮT

Luận văn này giới thiệu kết quả nghiên cứu về “Nghiên cứu quá trình cháy

trong động cơ 3 xy lanh Diesel phun gián tiếp có buồng cháy Three Vortex Combustion (TVC), sử dụng nhiên liệu sinh học Bio-Diesel (tham khảo động

cơ 3 xy lanh KUBOTA D1703-M-E3B)” Nghiên cứu quá trình cháy của động cơ

này nhằm mục đích thiết kế, chế tạo ra một động cơ mới dựa trên nền tảng là động

cơ Diesel 3 xy lanh phun gián tiếp có buồng cháy Three Vortex Combustion (TVCS) sử dụng nhiên liệu Bio-Diesel thân thiện với môi trường, giảm khí thải ô nhiễm, và giảm phụ thuộc vào nhiên liệu truyền thống như xăng, diesel…Với nghiên cứu này sẽ tạo ra loại động cơ riêng của Việt Nam mang thương hiệu của Việt Nam và đặc biệt là giá thành sẽ thấp hơn so với động cơ của thế giới nhằm phục vụ cho sự nghiệp cơ giới hóa, hiện đại hóa nền nông nghiệp nông thôn Việt Nam

ABSTRACT

In this study, the author introduces research findings on "Research in

combustion engine 3 cylinder indirect injection diesel combustion chamber Three Vortex Combustion (TVC), biofuel use Bio-Diesel (Reference 3 cylinder engine KUBOTA D1703-M-E3B) Studies of the combustion engine aims to

design, manufacture a new engine is based on the 3 cylinder diesel engine with indirect injection combustion chamber Three Vortex Combustion (TVC) Bio-fuel use diesel environmentally friendly, pollution emissions, and reduce dependence on traditional fuels such as gasoline, diesel With this research will produce engines Vietnam's own brand of Vietnam and especially the price will be lower than the engine of the world to serve the cause of mechanization, modernization agricultural and rural Vietnam

Key words: biodiesel, three cylinder, idi engine, simulations, three vortex

combustion, Ricardo Wave

v

MỤC LỤC

Quyết định giao đề tài

Lý lịch cá nhân i

Lời cam đoan ii

Lời cảm ơn iii

Tóm tắt iv

Mục lục v

Danh sách các chữ viết tắt x

Danh sách các bảng xii

Danh sách các hình xiv

Chương 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1

1.1 Sự cần thiết nghiên cứu của đề tài 1

1.1.1 Thực trạng trang bị máy móc và phương tiện cho các ngành 1

1.1.1.1 Quy mô sử dụng đất nông nghiệp và mức độ trang bị máy móc cơ điện nông nghiệp 1

1.1.1.2 Nguồn động lực trong sản xuất nông nghiệp 2

1.1.1.3 Mức độ cơ giới hóa trong sản xuất và công nghệ sau thu hoạch 3

1.1.2 Nhu cầu động cơ nhỏ cho nông nghiệp và nông thôn Việt Nam 5

1.1.3 Nhu cầu của động cơ 3 xy lanh Diesel tại Việt Nam 7

1.1.4 Công nghiệp máy động lực ở Việt Nam 9

1.1.4.1 Thị phần cạnh tranh máy nông nghiệp 9

1.1.4.2 Thị phần công suất máy nông nghiệp 10

1.1.5 Nhiên liệu thay thế 13

1.1.6 Phương pháp nghiên cứu quá trình cháy động cơ diesel 3 xy lanh sử dụng nhiên liệu Biodiesel 15

1.1.7 Kết luận 15

1.2 Tình hình nghiên cứu nước ngoài và trong nước 16

1.2.1 Tính hình nghiên cứu động cơ 3 xy lanh nước ngoài 16

vi

1.2.2 Tính hình nghiên cứu động cơ 3 xy lanh tại Việt Nam 17

1.3 Mục đích và đối tượng nghiên cứu của đề tài 20

1.4 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài 20

1.5 Phạm vi nghiên cứu 20

1.6 Nội dung nghiên cứu của đề tài 21

1.7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn mà đề tài mang lại 21

1.7.1 Ý nghĩa khoa học 21

1.7.2 Ý nghĩa thực tiễn 21

1.8 Phương pháp nghiên cứu 22

1.8.1 Phương pháp thống kê, phân tích 22

1.8.2 Phương pháp tính toán lý thuyết và mô phỏng 22

1.8.3 Phương pháp nghiên cứu tính toán thiết kế 22

1.8.4 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 22

1.8.5 Phương pháp chuyên gia 22

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHÁY 23

2.1 Cơ sở lý thuyết quá trình cháy động cơ nhiệt 23

2.1.1 Tính chất của màng lửa 23

2.1.2 Cháy hoàn toàn lý thuyết 24

2.1.3 Các định luật nhiệt động học cho quá trình cháy 26

2.1.3.1 Định luật nhiệt động học thứ nhất áp dụng cho quá trình cháy 26

2.1.3.2 Định luật nhiệt động học thứ hai áp dụng cho quá trình cháy 32

2.2 Cơ sở lý thuyết quá trình cháy động cơ Diesel phun gián tiếp 36

2.2.1 Khái quát về quá trình cháy trong động cơ Diesel 36

2.2.2 Lý thuyết quá trình cháy trong động cơ Diesel phun gián tiếp 38

2.2.3 Phân tích áp suất trong buồng cháy 40

2.2.4 Hiệu suất cháy 41

2.2.5 Động cơ phun gián tiếp IDI 41

2.2.6 Quá trình cháy động cơ Diesel phun gián tiếp IDI 44

2.3 Cơ sở lý thuyết TVCS về nhiệt hóa 50

vii

2.3.1 Lý thuyết ba dòng xoáy lốc 50

2.3.2 Mô hình chuyển động của ba dòng xoáy lốc 53

2.3.2.1 Mô hình của Helmholtz 53

2.3.2.2 Mô hình Theo Goriachev 54

2.3.2.3 Mô hình của Grobli 54

Chương 3 NHIÊN LIỆU BIO-DIESEL SỬ DỤNG CHO ĐỘNG CƠ DIESEL 55 3.1 Tổng quan về nhiên liệu sinh học Biodiesel 55

3.1.1 Khái niệm 55

3.1.2 Các tính năng khi sử dụng nhiên liệu Biodiesel 55

3.1.2.1 Tính chất lý hóa của nhiên liệu Biodiesel 55

3.1.2.2 Ưu nhược điểm về mặt môi trường của nhiên liệu Biodiesel 56

3.1.2.3 Ưu nhược điểm về mặt kỹ thuật của nhiên liệu Biodiesel 57

3.1.2.4 Ưu nhược điểm về mặt kinh tế của nhiên liệu Biodiesel 57

3.2 Đặc điểm động cơ sử dụng nhiên liệu Biodiesel 61

3.2.1 Tạo hỗn hợp khi dùng nhiên liệu Biodiesel 61

3.2.2 Vấn đề tăng khả năng lưu thông của nhiên liệu qua bầu lọc khi dùng nhiên liệu Biodiesel 61

3.2.3 Ưu điểm của buồng cháy TVCS khi sử dụng nhiên liệu Biodiesel 61

3.3 Nguyên liệu sản xuất và thành phần hóa học của nhiên liệu Biodiesel 63

3.3.1 Dầu thực vật 63

3.3.2 Mỡ động vật 64

3.3.3 Dầu thải chiên rán 65

3.4 Phương pháp điều chế nhiên liệu Biodiesel 67

3.4.1 Phương pháp điều chế Biodiesel từ mỡ cá Basa 67

3.4.1.1 Qui trình công nghệ chiết tách mỡ lỏng từ mỡ cá 67

3.4.1.2 Qui trình sản xuất Biodiesel bằng hình ảnh 69

3.4.2 Phương pháp điều chế dầu Biodiesel từ cây Jatropha 71

3.4.2.1 Qui trình điều chế 71

3.4.2.2 Công nghệ sản xuất dầu Jatropha 72

viii

3.5 Các thông số chính của nhiên liệu Biodiesel 74

3.5.1 Các chỉ tiêu nhiên liệu đối với dầu từ mỡ cá basa 74

3.5.2 Các chỉ tiêu nhiên liệu đối với dầu Jatropha 75

Chương 4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MÔ HÌNH CHÁY ĐỘNG CƠ DIESEL TRONG PHẦN MỀM RICARDO WAVE 76

4.1 Mô hình sự cháy động cơ Diesel Wiebe 76

4.1.1 Cháy trễ 78

4.1.2 Mô hình sự cháy phun thí điểm 78

4.2 Mô hình sự cháy đa phần động cơ Diesel Wiebe 79

4.3 Mô hình sự cháy tia phun Diesel 80

4.3.1 Sự bay hơi của giọt nhiên liệu 81

4.3.2 Hỗn hợp không khí - nhiên liệu 81

4.3.3 Sự cháy 82

4.3.4 Sự hình thành NOx 82

4.3.5 Sự hình thành bồ hóng 83

4.4 Mô hình phân tích sự giải phóng nhiệt quá trình cháy 85

4.4.1 Sự Nén 85

4.4.2 Sự Cháy 85

4.4.3 Xác định đúng điểm chết trên (TDC) 89

4.5 Dữ liệu sự cháy động cơ Diesel 90

Chương 5 NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHÁY NHIÊN LIỆU BIO-DIESEL TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL PHUN GIÁN TIẾP CÓ BUỒNG CHÁY TVCS BẰNG PHẦN MỀM RICARDO WAVE 94

5.1 Tổng quan về phần mềm mô phỏng động cơ đốt trong Ricardo Wave 94

5.1.1 Giới thiệu 94

5.1.2 Các chức năng chính và các bước xây dựng mô hình mô phỏng 95

5.1.2.1 Các chức năng chính của phần mềm Ricardo Wave 95

5.1.2.2 Các bước xây dựng mô hình mô phỏng trên Ricardo Wave 95

ix

5.1.3 Phương pháp xây dựng mô hình và mô phỏng động cơ Diesel 3 xy lanh trong

phần mềm Ricardo Wave 96

5.2 Mô hình hóa quá trình cháy, ngọn lửa và khu vực cháy 98

5.2.1 Nghiên cứu thực nghiệm quá trình cháy khuếch tán 98

5.2.2 Mô hình hóa quá trình cháy trong phần mềm Kiva 102

5.2.2.1 Mô hình cháy trễ 102

5.2.2.2 Mô hình sự cháy 104

5.2.2.3 Mô hình hình thành bồ hóng và cháy bồ hóng 106

5.3 Mô phỏng quá trình cháy động cơ Diesel sử dụng nhiên liệu Biodiesel bằng phần mềm Ricardo Wave 108

5.3.1 Các thông số mô phỏng động cơ Diesel 3 xy lanh sử dụng nhiên liệu Biodiesel 108

5.3.2 Các kết quả mô phỏng động cơ bằng đồ thị 109

5.3.2.1 Đặc tính động cơ 109

5.3.2.2 Đặc tính khí thải động cơ 118

5.3.3 Mô phỏng bằng hình ảnh tốc độ dòng chảy, áp suất và nhiệt độ của nhiên liệu B5 tại số vòng quay n = 2800 124

Chương 6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 134

6.1 Kết luận kết quả đề tài 134

6.2 Kiến nghị 136

TÀI LIỆU THAM KHẢO 138

x

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

- ĐBSH: đồng bằng sông hồng

- Ha: hecta

- HP/hp (Horse Power): sức kéo (sức ngựa)

- PTVN: phương tiện vận tải

- GDP (Gross Domestic Product): tổng sản phẩm quốc nội

- SVEAM (Southern Vietnam Engine and Agricultural Machinery): công ty Trách nhiệm hữu hạn một thành viên Động cơ và Máy nông nghiệp Miền Nam

- VEAM (Vietnam Engine and Agricultural Machinery): tổng công ty máy động lực

và máy nông nghiệp Việt Nam

- LPG (Liquefied Petroleum Gas): khí hóa lỏng

- CNG (Compressed Natural Gas): khí nén thiên nhiên

- LNG (Liquefied Natural Gas): khí hóa lỏng tự nhiên

- BDF/BD (Biodiesel Fuel): nhiên liệu Diesel sinh học

- ODA (Official Development Assistance): hỗ trợ phát triển chính thức

- SAE (Society of Automotive Engineers): hiệp hội kỹ sư ô tô Mỹ

- E-TVCS/TVCS/TVC (Three Vortex Combustion System): hệ thống buồng cháy 3 luồng xoáy lốc

- IDI (Indirect Injection): phun gián tiếp

- DI (Direct Injection): phun trực tiếp

- ISFC (Indicated Specific Fuel Consumption): chỉ số tiêu hao nhiên liệu

- EVO (Exhaust Valve Open): van xả mở

- EVC (Exhaust Valve Close): van xả đóng

- IVO (Intake Valve Open): van hút mở

- IVC (Intake Valve Close): van hút đóng

- TDC (Top Dead Center): điểm chết trên

- BDC (Bottom Dead Center): điểm chết dưới

- CA (CRANK ANGLE): góc quay trục khuỷu

xi

- RPM (Revolutions Per Minute): vòng/phút

- HC: Hidrocarbure chưa cháy

- PPM (Parts Per Million): đơn vị đo mật độ

- CI (Compress Ignition): động cơ Diesel nén cháy

- DO (Diesel Oil): dầu Diesel

- CV (Cheval Vapeur (France)): mã lực của Pháp, 1 CV = 0,986 HP; 1 HP = 0,736 kW; 1 kW = 1,36 HP; 1 CV = 0,736 kW

- A/F (Air/ Fuel): tỷ số không khí trên nhiên liệu

- FAO (Food and Agriculture Organization): tổ chức nông lương liên hiệp quốc

- SI (Spark Ignition): cháy bởi tia lửa (động cơ xăng)

- TDCF (Top Dead Center Firing): thứ tự điểm chết trên

xii

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Thống kê ruộng đất sản xuất nông nghiệp của hộ nông dân ở các vùng 1

Bảng 1.2: Nguồn động lực dùng trong nông nghiệp nông thôn 2

Bảng 1.3: Thống kê cơ giới hóa trong ngành nông nghiệp 3

Bảng 1.4: Thống kê cơ giới hóa trong ngành lâm nghiệp 4

Bảng 1.5: Thống kê cơ giới hóa trong ngành thủy hải sản 5

Bảng 1.6: Mức độ đầu tư phương tiện vận tải ở khu vực nông thôn của các vùng 5

Bảng 1.7: Dãy công suất động cơ và cỡ lực kéo ở móc máy kéo 6

Bảng 2.1: Enthalpy tạo thành tiêu chuẩn (298,150K (250C) và áp suất 1 atm) 28

Bảng 2.2: Enthalpy và năng lượng tự do của phản ứng cháy 34

Bảng 3.1: Tính chất lý hóa cơ bản của các Biodiesel 56

Bảng 3.2: So sánh độ cặn và trị số Cetane của các loại Biodiesel 56

Bảng 3.3: Lượng khí thải dầu Biodiesel (BDF) so với dầu Diesel (DO) 57

Bảng 3.4: Tính chất nhiên liệu Diesel, B5, B10, B30 62

Bảng 3.5: Thành phần mỡ cá basa được đo tại Trung Tâm Nghiên Cứu và Phát triển Chế Biến Dầu Khí (RDCPP) 74

Bảng 3.6: Các chỉ tiêu nhiên liệu đối với dầu Jatropha 75

Bảng 5.1: Thông số kỹ thuật động cơ Diesel thử nghiệm 108

Bảng 5.2: Bảng số liệu mô phỏng công suất đầu ra của các mẫu nhiên liệu Diesel, B5, và B10 127

Bảng 5.3: Bảng số liệu mô phỏng moment đầu ra của các mẫu nhiên liệu Diesel, B5, và B10 128

Bảng 5.4: Bảng số liệu mô phỏng suất tiêu hao nhiên liệu của các mẫu nhiên liệu Diesel, B5, và B10 129

Bảng 5.5: Bảng số liệu mô phỏng hiệu suất nhiệt động cơ của các mẫu nhiên liệu Diesel, B5, và B10 130