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)
S

K

C

0

0

3
4

9
2

5
1

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: ;
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

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

ii


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.

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

v


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

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

vii


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

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

ix


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

- 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

xi


DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

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

Hình 1.5: Thị phần động cơ phục vụ cho nông nghiệp Việt Nam. ......................... 11
Hình 1.6: Thị phần động cơ 24 - 37 HP phục vụ cho nông nghiệp Việt Nam. ....... 12
Hình 2.1: Tỷ lệ hỗn hợp hòa trộn nhiên liệu và không khí..................................... 26
Hình 2.2: Sự biến đổi của hệ thống phản ứng cháy theo định luật nhiệt động học thứ
nhất. ...................................................................................................................... 27
Hình 2.3: Quá trình cháy đoạn nhiệt đẳng tích hay đẳng áp trên giản đồ U(T)
hay H(T). ............................................................................................................... 30
Hình 2.4: Hệ thống hở dùng để khảo sát động cơ đốt trong. .................................. 31
Hình 2.5: Biến thiên hiệu suất cháy theo độ đậm đặc ∅......................................... 32
Hình 2.6: Hiệu suất nhiệt của động cơ. ................................................................. 34
Hình 2.7: Sơ đồ đường cong phun nhiên liệu và tỏa nhiệt của động cơ Diesel
phun gián tiếp có buồng cháy xoáy lốc. ................................................................. 40
Hình 2.8: Sơ đồ buồng cháy dự bị và buồng cháy chính trong động cơ Diesel
phun gián tiếp. ....................................................................................................... 42
Hình 2.9: Đường cong tỏa nhiệt tính toán đối với động cơ Diesel phun gián tiếp
ở chế độ tải cố định với 0,29 ≤ ∅ < 0,32, tốc độ 2500 vòng/phút......................... 43
Hình 2.10: Mô hình tổng thể buồng cháy động cơ Diesel phun gián tiếp IDI. ....... 47
Hình 2.11: Quá trình hoạt động của động cơ Diesel phun gián tiếp. ...................... 47
Hình 2.12: Kết cấu buồng cháy trong động cơ Kubota D1703-M-E3B ................. 48
Hình 2.13: Buồng cháy Three Vortex Combustion. .............................................. 49
Hình 2.14: Mô hình buồng cháy Three Vortex và đỉnh piston ............................... 49
Hình 2.15: Các dạng xoáy lốc. .............................................................................. 51

xiv


Hình 2.16: Mô hình chuyển động của 3 dòng xoáy lốc. ........................................ 53
Hình 2.17: Mô hình chuyển động của 4 và 5 xoáy lốc........................................... 54
Hình 2.18: Mô phỏng chuyển động của ba dòng xoáy do Grobli thiết lập. ............ 54
Hình 3.1: Nguyên liệu dầu Diesel sinh học trên thế giới. ...................................... 58

B10...................................................................................................................... 110
Hình 5.8: Biểu đồ áp suất xy lanh phụ thuộc vào tải và góc quay trục khuỷu với
nhiên liệu B5, B10 và Diesel. .............................................................................. 112
Hình 5.9: Biểu đồ nhiệt độ xy lanh phụ thuộc vào tải và góc quay trục khuỷu với
nhiên liệu B5, B10 và Diesel. .............................................................................. 113
Hình 5.10: Biểu đồ tỷ lệ truyền nhiệt phụ thuộc vào tải và góc quay trục khuỷu với
nhiên liệu B10, B5 và Diesel. .............................................................................. 113
Hình 5.11: Mức độ giải phóng nhiệt và lượng nhiệt giải phóng tích lũy. ............. 114
Hình 5.12: Hiệu suất nhiệt của động cơ với ba nhiên liệu Diesel, B5, và B10. .... 115
Hình 5.13: Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ CI sử dụng nhiên liệu B5, B10
và Diesel. ............................................................................................................ 116
Hình 5.14: Đồ thị công chỉ thị P-V của động cơ CI sử dụng nhiên liệu B10, B5
và Diesel. ............................................................................................................ 117
Hình 5.15: Đồ thị nhiệt - Enthalpy của động cơ CI sử dụng nhiên liệu B10, B5 và
Diesel. ................................................................................................................. 118
Hình 5.16: Biểu đồ nồng độ NOx phụ thuộc vào tải và góc quay trục khuỷu với
nhiên liệu B10, B5 và Diesel. .............................................................................. 119
Hình 5.17: Biểu đồ nồng độ NO phụ thuộc vào tải và góc quay trục khuỷu với
nhiên liệu B5, B10 và Diesel. .............................................................................. 120
Hình 5.18: Biểu đồ nồng độ CO phụ thuộc vào tải và góc quay trục khuỷu với
nhiên liệu B5, B10 và Diesel. .............................................................................. 121
Hình 5.19: Mô phỏng diễn biến áp suất từng xy lanh của động cơ CI sử dụng nhiên
liệu B5................................................................................................................. 124
Hình 5.20: Mô phỏng diễn biến nhiệt độ buồng cháy của động cơ CI sử dụng
nhiên liệu B5. ...................................................................................................... 125
Hình 5.21: Mô phỏng tốc độ của dòng chảy khí cháy của động cơ CI sử dụng
nhiên liệu B5. ...................................................................................................... 126

xvi



Từ

Từ 2

0,2

0,2 - 0,5

0,5 - 2

trở lên

Đồng bằng sông
Hồng (ĐBSH)

3.136.734

1.405.390

59,51

37,23

3,18

0,08

0,44


904.645

4.825.890

6,49

14,87

55,4

23,24

5,33

Đông Nam Bộ

624.618

1.902.020

18,77

19,19

42,22

19,82

3,04


Theo Tổng cục Thống kê tính đến năm 2011 cả nước đã trang bị: 15.500 máy
kéo, máy cày lớn (trên 35 HP), 207.112 máy kéo, máy cày trung (từ 12 – 35 HP), và
275.131 máy kéo, máy cày nhỏ (< 12 HP), 40.146 ô tô vận tải hành khách và hàng
hóa, 175.189 động cơ điện, 126.704 máy phát điện, 281.049 động cơ chạy xăng,
diesel, 6.282 tàu thuyền dịch vụ thủy sản có động cơ, 5.325 tàu thuyền vận tải hành
khách, 142.183 tàu thuyền vận tải hàng hóa, 231.069 máy tuốt lúa có động cơ,
58.914 lò, máy sấy sản phẩm nông lâm thủy sản, 204.654 máy chế biến lương thực,
551.508 bình phun thuốc trừ sâu có động cơ, 1.932.349 máy bơm nước dùng cho
sản xuất nông lâm thủy sản, 62.364 máy chế biến thức ăn gia súc, 5.774 máy chế
biến thức ăn thủy sản, 25.712 máy giàn gieo sạ, 13.109 máy gặt đập liên hợp,
62.045 máy gặt khác. Nguồn động lực dùng trong nông nghiệp nông thôn bảng 1.2 .
Bảng 1.2: Nguồn động lực dùng trong nông nghiệp nông thôn [1]
Năm

Máy kéo,

Máy kéo,

Máy kéo,

Động cơ,

PTVT vận

PTVT vận

Canh tác trên

2011


12-35 HP

12 HP

15.500

207.112

275.131

Số lượng (cái)

nghiệp và thủy sản
456.238

40.146

153.790

3.147.498

Nguồn: Tổng cục Thống kê, 2011.
Nguồn động lực dùng trong
nông nghiệp nông thôn

Máy kéo, máy cày lớn 35 HP
Máy kéo, máy cày trung 12-35HP

15500 207112



Máy kéo,

Máy kéo,

Động cơ,

PTVT vận

Canh tác trên

2011

máy cày lớn

máy cày trung

máy cày nhỏ

máy phát

chuyển trên

đất trồng cây

hơn 35 HP

12 - 35 HP

dưới 12 HP

272791

Sức kéo trung 12- 35 hp
Sức kéo nhỏ dưới 12 hp

531277
58002
2926174

Động cơ, máy phát điện
PTVT trên đường bộ
Canh tác trên đất trồng cây
nông nghiệp

-Về cơ giới hóa trong ngành lâm nghiệp: Cơ giới hóa tập trung vào lĩnh vực
canh tác, trồng mới (làm đất, tạo bầu cây giống…). Trong khai thác rừng trồng, mặc
dù sản lượng không lớn, nhưng về cơ bản được tiến hành bằng máy như các khâu:
chặt cây, bốc xếp, vận chuyển…. Áp dụng dây chuyền sơ chế tại cửa rừng nhằm
nâng cao tỷ lệ thu hồi gỗ và giảm giá thành trong khâu vận chuyển.

3