Ảnh hưởng của b10, e10 và m10 tới trạng thái nhiệt của ống lót xi lanh động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel.doc

Viết thuê đề tài giá rẻ trọn gói - KB Zalo/Tele : 0973.287.149
Luanvanmaster.com – Cần Kham Thảo - Kết bạn Zalo/Tele : 0973.287.149
i
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
----------------------------------
NGUYỄN TRỌNG QUÝ
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA B10, E10 VÀ M10
TỚI TRẠNG THÁI NHIỆT CỦA ỐNG LÓT XI LANH
ĐỘNG CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU CỒN - DIESEL
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực
Thái Nguyên - Năm

ii
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái
Nguyên, Phòng Đào tạo và Khoa kỹ thuật Ô tô và Máy động lực đã cho phép tôi
thực hiện luận văn này. Xin cảm ơn Phòng Đào tạo và Khoa kỹ thuật Ô tô và Máy
động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi học tập và làm luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Trung Kiên đã hướng dẫn tôi hết sức
tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận
văn.
Tôi xin cảm ơn lãnh đạo, các đồng nghiệp tại Cơ quan nơi tôi công tác đã tạo
điều kiện và động viên tôi trong suốt quá trình học tập.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội
đồng chấm luận văn đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể
hoàn chỉnh luận văn này.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những
người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi học tập.
Tuy nhiên do còn có hạn chế về thời gian cũng như kiến thức của bản thân
nên đề tài của tôi có thể còn nhiều thiếu sót. Tôi rất mong nhận được sự góp ý để
luận văn được hoàn thiện hơn.
Học viên

iii
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT...............................................vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ........................................................................... vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .......................................................... viii
1. Lý do chọn đề tài....................................................................................................1
2. Mục đích của đề tài ................................................................................................3
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn................................................................................3
* Ý nghĩa khoa học:.................................................................................................3
* Ý nghĩa thực tiễn:.................................................................................................4
4. Đối tượng nghiên cứu.............................................................................................4
5. Phương pháp nghiên cứu........................................................................................4
6. Phạm vi nghiên cứu................................................................................................4
7. Nội dung nghiên cứu..............................................................................................4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .....................................5
1.1. Các nguồn năng lượng toàn cầu và tình trạng năng lượng hiện tại ....................5
1.2. Yêu cầu cơ bản của nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong...............................6
1.3. Nhiên liệu thay thế ..............................................................................................7
1.3.1. Phân loại.......................................................................................................7
1.3.2. Giới thiệu về nhiên liệu sinh học ..................................................................9
1.3.3. Các loại nhiên liệu khác..............................................................................12
1.4. Viễn cảnh sử dụng nhiên liệu cho động cơ đốt trong .......................................14
1.5. Tổng quan về truyền nhiệt trong động cơ đốt trong .........................................15
1.5.1. Truyền nhiệt trong động cơ.........................................................................15
1.5.2. Các mô hình truyền nhiệt............................................................................16
1.5.2.1. Trao đổi nhiệt dẫn nhiệt........................................................................16
1.5.2.2. Trao đổi nhiệt đối lưu ...........................................................................18

iv
1.5.2.3. Trao đổi nhiệt bức xạ............................................................................19
1.5.2.4. Quá trình trao đổi nhiệt tổng quát trong động cơ................................20
1.6. Các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến nội dung đề tài.................21
1.7. Kết luận chương 1 .............................................................................................23
CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG .............................................24
BẰNG PHẦN MỀM GT-POWER ..........................................................................24
2.1. Giới thiệu phần mềm GT-Power.......................................................................24
2.1.1. Giới thiệu chung..........................................................................................24
2.1.2. Cửa sổ giao diện chính ...............................................................................25
2.2. Thư viện các phần tử của GT-Power ................................................................26
2.3. Mô hình động cơ V12 .......................................................................................33
2.3.1. Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình động cơ.................................................33
2.3.2. Xây dựng mô hình .......................................................................................36
2.3.3. Nhập dữ liệu cho mô hình...........................................................................37
2.4. Chạy mô hình (Run Simulation) .......................................................................41
2.5. Kết luận chương 2 .............................................................................................41
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ V12..................42
VÀ TRẠNG THÁI NHIỆT ỐNG LÓT XILANH...................................................42
THEO CÁC LOẠI NHIÊN LIỆU KHẢO SÁT.......................................................42
3.1. Kết quả tính toán các chỉ tiêu công tác của động cơ V12.................................42
3.2. Hệ số truyền nhiệt và nhiệt độ của môi chất công tác khi sử dụng các nhiên liệu
D100, B10, E10 và M10...........................................................................................47
3.3. Tính toán trường nhiệt độ ống lót xi lanh động cơ V12 khi sử dụng D100, B10,
E10 và M10 ..............................................................................................................49
3.3.1. Mô hình hình học ống lót xi lanh động cơ V12...........................................49
3.3.2. Các giả thiết và điều kiện biên của mô hình tính toán ...............................50
3.4. Kết luận chương 3 .............................................................................................62

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

vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu Diễn giải
B10 Nhiên liệu pha trộn 10% butanol và 90% diesel khoáng
E10 Nhiên liệu pha trộn 10% ethanol và 90% diesel khoáng
M10 Nhiên liệu pha trộn 10% methanol và 90% diesel khoáng
CNG Khí nén thiên nhiên
LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng
GTL Khí hóa lỏng
CTL Than đá hóa lỏng
P Áp suất môi chất công tác
T Nhiệt độ môi chất công tác
 Hệ số truyền nhiệt
BSFC Suất tiêu hao nhiên liệu có ích
 Hệ số dư lượng không khí
IMEP Áp suất chỉ thị trung bình
BSAC Suất tiêu hao không khí có ích

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

viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Kịch bản đa dạng hóa nhiên liệu ở châu Âu [8].........................................6
Hình 1.2. Các loại nhiên liệu thay thế dùng cho động cơ đốt trong [8]...................14
Hình 1.3. Sơ đồ phân bố nhiệt độ và dòng nhiệt......................................................20
ngang thành vách buồng cháy..................................................................................20
Hình 1.4. Sơ đồ truyền nhiệt đối lưu tới thành buồng cháy, [2] ..............................20
Hình 2.1. Cửa sổ giao diện GT-Power.....................................................................26
Hình 2.2. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử xy lanh.................................27
Hình 2.3. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử cơ cấu phân phối khí ...........28
Hình 2.4. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử vòi phun...............................29
Hình 2.5. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử các thông số động cơ...........30
Hình 2.6. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử đường ống............................31
Hình 2.7. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử dòng phân chia ....................32
Hình 2.8. Các vùng của tia phun và quy luật đánh số các vùng, [2], [9].................34
Hình 2.9. Hệ số trao đổi nhiệt theo góc quay trục khuỷu tính toán .........................36
theo phương trình của Woschni và Hohenberg, [2].................................................36
Hình 2.10. Mô hình động cơ V12 ............................................................................37
Hình 3.1. Kết quả tính toán Me, Gnl và so sánh với số liệu của nhà sản xuất .........44
theo đặc tính ngoài của động cơ V12, [30] ..............................................................44
Hình 3.2. Diễn biến nhiệt độ môi chất trong xi lanh động cơ..................................48
khi sử dụng các nhiên liệu D100, B10, E10 và M10 ...............................................48
Hình 3.3. Hệ số truyền nhiệt từ môi chất tới thành vách buồng cháy......................48
khi sử dụng các nhiên liệu D100, B10, E10 và M10 ...............................................48
Hình 3.4. Mô hình hình học của ống lót xi lanh động cơ V12 ................................50
Hình 3.5. Mô hình 2 miền xi lanh động cơ V12 ......................................................53
Hình 3.6. Mô hình trao đổi nhiệt của ống lót xi lanh động cơ V12.........................57
Hình 3.7. Trường nhiệt độ ống lót xi lanh khi sử dụng nhiên liệu D100.................60
Hình 3.8. Trường nhiệt độ ống lót xi lanh khi sử dụng nhiên liệu E10...................60
Hình 3.9. Trường nhiệt độ ống lót xi lanh khi sử dụng nhiên liệu B10...................61
Hình 3.10. Trường nhiệt độ ống lót xi lanh khi sử dụng nhiên liệu M10................61

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

2
việc sử dụng các alcohol có hàm lượng các bon thấp làm nhiên liệu thay thế cho
động cơ diesel. Nhiên liệu alcohol có hàm lượng các bon cao (chứa từ 4 nguyên
tố các bon trở lên) có nhiều triển vọng làm nhiên liệu thay thế hơn so với nhiên
liệu alcohol hàm lượng các bon thấp do chúng có số cetane và nhiệt trị cao hơn
cũng như khả năng hòa trộn tốt hơn.
Hiện nay có 4 phương pháp phổ biến nhất để hình thành lên chế độ vận
hành lưỡng nhiên liệu cồn - diesel (alcohol - diesel) trong động cơ cháy do nén,
đó là:
1. Phun hơi cồn (Alcohol Fumigation): trong phương pháp này, nhiên liệu alcohol
được đưa vào đường ống nạp của động cơ thông qua vòi phun hoặc chế hòa khí.
2. Pha trộn cồn - diesel (alcohol - diesel blend): trong phương pháp này, nhiên
liệu alcohol và diesel được hòa trộn theo tỷ lệ nhất định trước để tạo thành hỗn
hợp đồng nhất và sau đó được phun trục tiếp vào xi lanh thông qua các vòi phun.
3. Nhũ tương cồn - diesel (Alcohol - diesel emulsification): theo phương pháp này,
sử dụng chất chuyển thể sữa để hòa trộn hỗn hợp nhiên liệu nhằm ngăn chặn sự
phân ly.
4. Phun kép (Dual injection): theo đó, sử dụng 2 hệ thống phun riêng rẽ để phun
nhiên liệu cồn và diesel vào xi lanh.
Trong đó phương pháp phun hơi cồn vào đường nạp và pha trộn cồn - diesel
được sử dụng phổ biến hơn cả. Đã có nhiều công trình nghiên cứu về ảnh hưởng
của của tỷ lệ cồn đến hiệu suất, đặc tính cháy và đặc tính phát thải của động cơ
diesel [11 29], tuy nhiên các công trình này chỉ trình bày kết quả nghiên cứu thực
nghiệm; một số ít trình bày về mô phỏng số nhưng các thuật toán và chương trình
mô phỏng không được giới thiệu chi tiết; chính vì vậy, mô phỏng đặc tính của loại
động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel là cần thiết để làm chủ công nghệ, cũng như
ứng dụng vào thực tiễn tại Việt Nam nhằm giảm ô nhiễm môi trường từ các động
cơ diesel đang lưu hành. Như ta đã biết, do tốc độ tỏa nhiệt của hỗn hợp cồn -
diesel lớn hơn so với nhiên liệu diesel truyền thống do thời gian cháy trễ kéo dài
hơn và do nhiên liệu alcohol có chứa hàm lượng ô xi cao; tuy nhiên vấn đề

3
này chưa thấy đề cập trong các công trình nghiên cứu gần đây, do đó nghiên cứu
ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu cồn - diesel tới trạng thái nhiệt của các chi tiết
bao quanh buồng cháy là cần thiết. Chính vì vậy, tác giả lựa chọn đề tài: “Nghiên
cứu ảnh hưởng của B10, E10 và M10 tới trạng thái nhiệt của ống lót xi lanh
động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel” làm đề tài luận văn cao học của mình.
2. Mục đích của đề tài
- Mục đích của luận văn là đưa ra được “bức tranh” về ảnh hưởng của của 3 loại
nhiên liệu diesel sinh học có tỷ lệ pha trộn cồn 10% như (B10 - 10% Butanol; E10 -
10% Ethanol và M10 - 10% Methanol) đến trạng thái nhiệt của ống lót xi lanh
động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel.
- Xây dựng mô hình động cơ lưỡng nhiên liệu (bằng phần mềm GT-Power) và
mô hình tính toán trạng thái nhiệt ống lót xi lanh bằng phương pháp phần tử hữu
hạn dựa trên phần mềm ANSYS;
- Trên cơ sở mô hình, tác giả đánh giá ảnh hưởng của 3 loại nhiên liệu diesel
sinh học B10, E10 và M10 đến các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của động cơ, cũng
như đánh giá sự ảnh hưởng của chúng tới trạng thái nhiệt của ống lót xi lanh.
- Trên cơ sở kết quả mô phỏng số đưa ra một số kết luận và kiến nghị.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
* Ý nghĩa khoa học:
Luận văn đã góp phần đánh giá được quá trình hình thành hỗn hợp và
cháy của nhiên liệu diesel sinh học B10, E10 và M10 trong động cơ cháy do nén
thông qua các mô hình mô phỏng được xây dựng trên phần mềm GT-Power. Từ
các mô hình này, có thể khảo sát ảnh hưởng của diesel sinh học ở các tỷ lệ khác
nhau đến đặc tính cháy, các thông số kinh tế - kỹ thuật và phát thải của động cơ
được khảo sát. Đây là cơ sở lý thuyết cho việc so sánh với thực nghiệm để từ đó
có thể đề xuất kiến nghị sử dụng nhiên liệu cồn - diesel cho động cơ ở tỷ lệ thích
hợp cũng như kiến nghị điều chỉnh các thông số vận hành một cách phù hợp khi
sử dụng các loại nhiên liệu alcohol với các tỷ lệ khác nhau.

4
* Ý nghĩa thực tiễn:
- Các mô hình xây dựng trong luận văn có thể tham khảo cho quá trình đào
tạo chuyên sâu liên quan đến vận hành động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel cho
động cơ cháy do nén;
- Chương trình khảo sát trạng thái nhiệt ống lót xi lanh có thể sử dụng làm
cơ sở cho các mục đích tương tự;
- Kết quả của luận văn là cơ sở lý thuyết cho việc so sánh với kết quả thực
nghiệm khi nghiên cứu về động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel.
4. Đối tượng nghiên cứu
Động cơ V12, diesel 4 kỳ, 12 xi lanh bố trí chữ V.
5. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết: xây dựng mô hình động cơ lưỡng nhiên liệu (bằng
phần mềm GT-Power) và mô hình tính toán trạng thái nhiệt ống lót xi lanh dựa
trên phương pháp phần tử hữu hạn (ANSYS), mô phỏng và phân tích kết quả;
6. Phạm vi nghiên cứu
Luận văn nghiên cứu về lý thuyết đến đặc tính cháy (tốc độ tỏa nhiệt, hệ
số truyền nhiệt…) khi sử dụng D100, B10, E10 và M10 trên phần mềm mô
phỏng một chiều nhiệt động GT-Power của hãng Gama Technology - Mỹ; trên
cơ sở đặc tính cháy thu được từ phần mềm GT-Power sẽ là thông số đầu vào cho
mô hình tính toán trạng thái nhiệt ống lót xi lanh bằng phần mềm ANSYS.
Chế độ tính toán: chế độ công suất định mức.
7. Nội dung nghiên cứu
Thuyết minh của luận văn được trình bày gồm các phần chính sau:
- Mở đầu
- Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
- Chương 2. Xây dựng mô hình mô phỏng bằng phần mềm GT-Power
- Chương 3. Kết quả tính toán mô phỏng động cơ V12 và trạng thái nhiệt
của ống lót xi lanh theo các loại nhiên liệu khảo sát
- Kết luận và kiến nghị

5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Các nguồn năng lượng toàn cầu và tình trạng năng lượng hiện tại
Các nguồn năng lượng có thể được chia thành 3 nhóm: năng lượng hóa thạch,
năng lượng tái tạo và năng lượng nguyên tử. Năng lượng hóa thạch được hình
thành hàng triệu năm trước nên không được gọi là nguồn tái tạo. Ngày nay, do sự
phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp ô tô trên thế giới, nên nhu cầu về
dầu mỏ tăng lên nhanh chóng. Thế giới đang phải đối mặt với thực tế là nguồn
nhiên liệu dầu mỏ đang dần cạn kiệt. Theo dự báo của các nhà khoa học trên thế
giới cho biết nguồn cung dầu mỏ có thể đáp ứng nhu cầu của thế giới trong khoảng
40  50 năm nữa nếu không phát hiện thêm các nguồn dầu mỏ mới. Việt Nam là
một quốc gia đang phát triển, nhu cầu vận chuyển bằng ô tô ngày càng tăng dẫn
tới nhu cầu trong nước về nhiên liệu ngày càng tăng lên.
Theo kết quả điều tra của tập đoàn dầu mỏ BP của Anh quốc, trữ lượng dầu
mỏ trên trái đất đã khảo sát được khoảng 150 tỷ tấn. Năm 2003, lượng dầu mỏ
trên trái đất tiêu thụ khoảng 3,6 tỷ tấn. Nếu không được phát hiện thêm những
nguồn mới thì lượng dầu mỏ trên thế giới chỉ đủ dùng khoảng 40 năm nữa. Theo
các chuyên gia kinh tế trên thế giới, trong vòng 15 năm nữa, lượng dầu mỏ cung
cấp cho thị trường vẫn luôn thấp hơn nhu cầu, chính vì nhu cầu về xăng dầu và
khí đốt không thấy điểm dừng như vậy đã đẩy mạnh giá dầu trên thế giới. Mặt
khác, nguồn năng lượng trên thế giới chủ yếu lại tập trung ở các khu vực luôn có
tình hình bất ổn như Trung Đông (chiếm 2/3 trữ lượng dầu mỏ trên thế giới),
Trung Á, Trung Phi… Mỗi một đợt khủng hoảng giá dầu lại làm lay chuyển các
nền kinh tế thế giới, đặc biệt là các nước đang phát triển như Việt Nam [8].
Bên cạnh đó động cơ ô tô sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch từ
dầu mỏ phát thải ra môi trường các chất độc hại gây ra ô nhiễm môi trường, phá
hủy tầng ô zôn, ảnh hưởng đến sức khỏe con người.
Vì vậy việc tìm ra nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân thiện
với môi trường là rất quan trọng và thiết thực. Song hành cùng với việc sử dụng
nhiên liệu truyền thống trên động cơ ô tô, các nhà khoa học trong và ngoài nước

6
đã và đang nghiên cứu tìm ra và sử dụng các nguồn nhiên liệu thay thế thân
thiện với môi trường cho động cơ đốt trong.
Nhằm đối phó với nguy cơ cạn kiệt năng lượng hóa thạch và ô nhiễm môi
trường, các quốc gia trên thế giới đều đưa ra các chính sách đa dạng hóa nguồn
năng lượng hướng tới mục tiêu giảm dần sự phụ thuộc vào năng lượng hóa
thạch. Cộng đồng châu Âu là khu vực dẫn đầu về vấn đề này. Hình 1.1 thể hiện
rõ nét nỗ lực của cộng đồng châu Âu trong mục tiêu đa dạng hóa năng lượng sử
dụng cho lĩnh vực giao thông vận tải.
Hình 1.1. Kịch bản đa dạng hóa nhiên liệu ở châu Âu [8]
Theo kịch bản đa dạng hóa này, các quốc gia châu Âu đưa ra mục tiêu dần
thay thế nhiên liệu hóa thạch (xăng và diesel) bằng các nhiên liệu có nguồn gốc
sinh học như SunFuel, SunGas, nhiên liệu tổng hợp (SynFuel), khí nén thiên
nhiên (CNG) và sử dụng ô tô điện, pin nhiên liệu. Với kịch bản này, đến năm
2030, lượng nhiên liệu hóa thạch sử dụng cho lĩnh vực giao thông vận tải chỉ
còn chiếm chưa đến 50% tổng năng lượng sử dụng cho lĩnh vực này.
1.2. Yêu cầu cơ bản của nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong
Do đặc điểm đốt cháy hỗn hợp trong không gian kín (buồng cháy của
động cơ) nên nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong đòi hỏi phải đáp ứng được
các yêu cầu khắt khe sau đây [8]:

7
- Dễ dàng hình thành hỗn hợp không khí - nhiên liệu; dễ cháy và cháy không
tạo tro;
- Trọng lượng nhẹ và có mật độ năng lượng lớn;
- Dễ cung cấp cho phương tiện;
- Có thể hoạt động tức thì;
- An toàn trong tiêu thụ và tiện lợi trong vận chuyển.
Với các yêu cầu ở trên, nhiên liệu lỏng được cho là loại nhiên liệu phù
hợp nhất nhờ trọng lượng nhẹ, mật độ năng lượng lớn, dễ hình thành hỗn hợp
với không khí và hỗn hợp không khí - nhiên liệu lỏng khi cháy hầu như không
tạo ra tro. Nhiên liệu lỏng được sử dụng cho động cơ đốt trong bao gồm các hợp
chất hydrocacbon (H-C), chủ yếu được chế biến từ dầu thô như xăng và diesel.
Nhiên liệu khí do có mật độ năng lượng tính theo thể tích thấp nên ít được
sử dụng cho các động cơ đốt trong lắp trên phương tiện di động. Hiện nay, nhiên
liệu khí đang được dùng làm nhiên liệu thay thế ở dạng nén hoặc hóa lỏng. Các
loại khí được dùng cho động cơ đốt trong ở dạng nén hoặc hóa lỏng để tăng mật
độ năng lượng, bao gồm khí thiên nhiên (NG), khí mêtan, êtan, prôpan, khí dầu
mỏ hóa lỏng (LPG), khí tổng hợp (syngas), khí hyđrô...
Nhiên liệu rắn không được sử dụng trực tiếp cho động cơ đốt trong do quá
trình đốt cháy sinh ra nhiều tro, tuy nhiên nó có thể sử dụng gián tiếp thông qua
biện pháp khí hóa để tạo thành khí tổng hợp hoặc hóa lỏng thông qua quá trình
khí hóa kết hợp với quá trình tổng hợp Fisher Tropsch (tổng hợp FT) [8].
1.3. Nhiên liệu thay thế
1.3.1. Phân loại
Nhiên liệu thay thế có thể được phân thành 2 nhóm. Nhóm các nhiên liệu có
nguồn gốc hóa thạch gồm: Ethanol từ nguồn hóa thạch, khí thiên nhiên (NG -
Natural Gas), khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG - Liquefied Petroleum Gas), methanol, hy
đrô, khí hóa lỏng (GTL - Gas To Liquid), than đá hóa lỏng (CTL - Coal To Liquid)
và Dimethyl Ether (DME). Nhóm các loại nhiên liệu có nguồn gốc tái tạo gồm: Khí
sinh học (biogas), ethanol sinh học (bio-ethanol), methanol sinh học

8
(bio-methanol), hy đrô, dầu thực vật (vegetable oil), diesel sinh học (bio-diesel
hay FAME - Fatty Acid Methyl Ester), dầu thực vật/mỡ động vật qua xử lý hy
đrô (HVO - Hydrotreating Vegetable Oil), sinh khối hóa lỏng (BTL - Biomass
To Liquid) và DME.
Tóm lược về các loại nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong được thể
hiện trên bảng 1.1 [8].
Bảng 1.1. Phân loại nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong
Nguồn gốc Động cơ đánh lửa cưỡng bức Động cơ cháy do nén
Ethanol Than đá hóa lỏng (CTL)
Methanol Khí hóa lỏng (GTL)
Hóa thạch Khí thiên nhiên (NG) Dimethyl Ether (DME)
Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG)
Hyđrô
Bio-ethanol/ bio-methanol Diesel sinh học (bio-diesel/FAME)
Khí sinh học (biogas) Dầu sinh học (bio-oil)
Tái tạo Hyđrô Dầu thực vật qua xử lý hyđrô (HVO)
Sinh khối hóa lỏng (BTL)
Dimethyl Ether (DME)
Các loại nhiên liệu khí có nguồn gốc hóa thạch như khí thiên nhiên và khí
dầu mỏ hiện đang được sử dụng rất rộng rãi làm nhiên liệu thay thế cho xăng
trên động cơ dùng cho phương tiện giao thông. Tuy nhiên, do mật độ năng lượng
thấp nên để sử dụng được cho phương tiện vận tải cần thiết phải nén (ví dụ khí
nén thiên nhiên CNG) hoặc hóa lỏng (khí dầu mỏ hóa lỏng LPG và khí thiên
nhiên hóa lỏng LNG). Khí hyđrô hiện cũng đang được sử dụng thí điểm trên
phương tiện giao thông ở các dạng như hyđrô nén, hyđrô hóa lỏng hoặc pin
nhiên liệu. Ethanol và mêthanol sinh học hiện là hai loại nhiên liệu lỏng phù hợp
nhất để thay thế cho xăng.
Với tính chất tương đồng với nhiên liệu diesel và khả năng đáp ứng tốt các
yêu cầu đối với nhiên liệu cho động cơ cháy do nén, diesel sinh học (bio-diesel)

9
hiện đang là loại nhiên liệu được sử dụng nhiều nhất để thay thế cho nhiên liệu
diesel. Bio-diesel có thể sử dụng ở dạng nguyên chất (B100) hoặc trộn với nhiên
liệu diesel với một tỷ lệ nhất định. Ngoài ra, dầu thực vật và DME cũng được
nhiều nước sử dụng cho động cơ cháy do nén. Dầu thực vật có độ nhớt lớn nên
cần phải lưu ý cải thiện (cách đơn giản nhất là sấy nóng nhiên liệu để giảm độ
nhớt) đồng thời người sử dụng còn phải quan tâm đến vấn đề kết cặn trong
buồng cháy và trong hệ thống cung cấp nhiên liệu, vấn đề độ bền ô xy hóa của
nhiên liệu dầu thực vật... Nhiên liệu DME hiện chưa thực sự phổ biến, tuy nhiên
triển vọng sản xuất DME từ nguồn tái tạo là rất lớn. Độ nhớt nhỏ của DME cũng
là một yếu tố cần lưu tâm nhằm đảm bảo được tính năng bôi trơn cho động cơ.
Việc sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel và một loại nhiên liệu khí cũng đang
nhận được quan tâm của nhiều nước [9]. Các loại động cơ sử dụng lưỡng nhiên
liệu diesel/LPG, diesel/CNG hay các loại động cơ đa nhiên liệu hiện nay đã
được sản xuất, hoán cải và sử dụng khá nhiều.
1.3.2. Giới thiệu về nhiên liệu sinh học
Các loại nhiên liệu sinh học (nhiên liệu có nguồn gốc tái tạo) được chia
thành các thế hệ như: nhiên liệu sinh học thế hệ I, II và III. Các loại nhiên liệu
sinh học có thể trộn với nhiên liệu khoáng và đốt cháy trong động cơ đốt trong
và phân phối qua hệ thống hạ tầng sẵn có hoặc được sử dụng trên các phương
tiện có điều chỉnh thích nghi nhỏ đối với động cơ đốt trong.
Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ I là loại nhiên liệu đang được thương mại
phổ biến trên thị trường thế giới hiện nay như ethanol làm từ cây mía hay từ tinh
bột (ngô, sắn...), diesel sinh học (bio-diesel) và dầu thực vật nguyên chất (PPO -
pure plant oil). Nguồn nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất là
cây mía, tinh bột, các loại hạt chứa dầu (cải dầu, hướng dương, đậu nành, cọ...)
hoặc mỡ động vật. Các loại nhiên liệu này thường là thực phẩm hoặc phụ phẩm
của ngành thực phẩm.

10
Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ II là nhiên liệu được sản xuất từ xenlulo và
hemixenluloza (có trong sinh khối). Ethanol làm từ xenlulo và nhiên liệu FT
(Fischer - Tropsch) là những ví dụ điển hình về loại nhiên liệu này.
Một số tài liệu còn định nghĩa loại nhiên liệu sinh học thế hệ thứ III với
nguồn nguyên liệu sản xuất là thực phẩm không ăn được như hạt jatropha (cây
cọc rào hay cây dầu mè), hạt pongamia pinata (cây đậu dầu hay cây bánh dày)
hoặc từ vi tảo.
Nhiên liệu sinh học thế hệ I hiện đang chiếm sản lượng chính mặc dù vấn
đề an ninh lương thực đang được đặc biệt quan tâm; nhiên liệu sinh học thế hệ II
và III đang trong giai đoạn hoàn thiện công nghệ và bắt đầu được sản xuất ở quy
mô thử nghiệm để tiến tới quy mô thương mại.

Cồn sinh học

Cồn sinh học có công thức hóa học là CnH2n+1OH được xem là nhiên liệu
phù hợp nhất để sử dụng cho động cơ đánh lửa cưỡng bức nhờ có trị số octane
cao và tính chất vật lý, hóa học tương tự như xăng. Hiện nay, cồn tồn tại ở bốn
dạng là methanol (CH3OH), ethanol (C2H5OH), propanol (C3H7OH) và butanol
(C4H9OH), tất cả đều là chất lỏng không màu, tuy nhiên methanol, propanol và
butanol hiện ít được sử dụng cho phương tiện vận tải do giá thành sản xuất cao.
Ethanol được sử dụng rộng rãi hơn cả cho các phương tiện vận tải nhờ nguồn
nguyên liệu dễ phát triển, giá thành sản xuất thấp và khả năng tương thích tốt
với động cơ.
Ethanol chủ yếu được sản xuất từ quá trình lên men các sản phẩm có đường
như mía, củ cải đường..., các sản phẩm ngũ cố như ngô, khoai, sắn... (thế hệ I); từ
phế phẩm nông, lâm nghiệp (thế hệ II) và từ vi tảo (thế hệ III). Đối với thế hệ II,
phế phẩm nông, lâm nghiệp cần phải trải qua quá trình tiền chế, lên men thủy phân
để loại bỏ chất gỗ (lignin) trong nguyên liệu, sản phẩm tạo thành là glucose. Sau đó
quy trình sản xuất tạo thành ethanol tương tự với quá trình sản xuất ethanol thế hệ
I. Đối với ethanol thế hệ III, vi tảo sau khi thu hoạch được nghiền trước khi

11
thực hiện quá trình phân rã tế bào, sản phẩm là tinh bột và protein, thông qua
quá trình lên men thủy phân tạo thành ethanol.
Methanol hiện tại chủ yếu sản xuất từ khí thiên nhiên thông qua quá trình
khí hóa và tổng hợp, trong thời gian gần đây, methanol cũng đã bắt đầu được sử
sản xuất từ sinh khối nhằm giảm gánh nặng đối với nguồn nhiên liệu hóa thạch.

Dầu thực vật và bio-diesel

Dầu thực vật là dầu thu trực tiếp từ quá trình ép các hạt có dầu như hạt cải
dầu, hướng dương, đậu nành, cọ, dừa, jatropha... có thể được sử dụng trực tiếp
cho động cơ cháy do nén hoặc dùng trong lĩnh vực chế biến thực phẩm.
Bio-diesel thế hệ I là sản phẩm của quá trình este hóa dầu thực vật hoặc
mỡ động vật (ví dụ như dầu cọ, dầu hạt cải dầu, dầu hạt hướng dương... hay mỡ
cá basa).
Bio-diesel thế hệ II được sản xuất từ sinh khối theo quy trình khí hóa
(gasification) và sau đó là tổng hợp theo quá trình Fischer - Tropsch. BTL
(biomass to liquid, còn được gọi là diesel tổng hợp) là một ví dụ điển hình của
bio-diesel thế hệ II. Bio-diesel làm từ dầu ăn đã qua sử dụng, từ dầu của các hạt
có dầu không ăn được như hạt jatropha và từ vi tảo được gọi là diesel sinh học
thế hệ III.

Dầu nhiệt phân và dầu thực vật qua xử lý hy đrô (HVO)

Dầu thực vật qua xử lý hy đrô (HVO) có thể nói là một trong những loại
nhiên liệu nguồn gốc sinh học tiềm năng hiện nay. HVO là hỗn hợp của các
hydrocacbon dạng parafin, không chứa lưu huỳnh và các chất thơm. Thuộc tính của
HVO có thể điều chỉnh để đáp ứng các yêu cầu của từng vùng bằng cách thay đổi
trong quy trình sản xuất như bổ sung quy trình xử lý xúc tác. HVO có trị số xetan
rất cao, trong khi các thuộc tính khác thì tương tự như đối với FT - diesel tổng hợp,
GTL và BTL bằng quy trình Fischer - Tropsch. Ngoài ra, HVO là nhiên liệu
hydrocacbon nên đáp ứng được tất cả các yêu cầu đối với nhiên liệu truyền thống
(EN 590, ASTM D 975) ngoại trừ chỉ tiêu giới hạn dưới của tỷ trọng.

12
1.3.3. Các loại nhiên liệu khác
Ngoài các loại nhiên liệu sinh học được mô tả ở trên, các loại nhiên liệu
khí, khí tổng hợp và nhiên liệu lỏng tổng hợp cũng đã và đang được sử dụng
hoặc đang trong quá trình nghiên cứu sử dụng cho động cơ đốt trong [8].

Khí thiên nhiên và khí sinh học biogas

Khí thiên nhiên thường được sử dụng làm chất đốt để sưởi ấm, sản xuất điện
năng và phục vụ cho công nghiệp. Thành phần chính của khí thiên nhiên là mêtan,
CH4 (80 ÷ 90%), còn lại là các thành phần khác như C2H6, C3H8, C4H10...
Khí thiên nhiên có tính chất phù hợp để sử dụng trên động cơ, đặc biệt là động
cơ đánh lửa cưỡng bức. Nhằm nâng cao mật độ năng lượng, khí thiên nhiên
thường được nén (CNG, với áp suất nén 200 ÷ 250 bar trong điều kiện nhiệt độ
môi trường) hoặc hóa lỏng (LNG, ở nhiệt độ -1270
C trong điều kiện áp suất môi
trường và ở nhiệt độ -1610
C khi áp suất là 6 ÷ 8 bar).
Khí sinh học biogas là hỗn hợp khí mêtan và một số khí khác phát sinh từ
sự phân hủy các vật chất hữu cơ. Thành phần chính của biogas là CH4 (50 ÷
60%) và CO2 ( 30%) còn lại là các chất khác như hơi nước N2, O2, H2S, CO...
được thủy phân trong môi trường yếm khí, xúc tác nhờ nhiệt độ từ 20 ÷ 400
C.
Biogas có thể sử dụng cho động cơ đốt trong nếu được làm sạch các thành phần
có ảnh hưởng lớn dến động cơ như H2S và hơi nước, cũng như nâng cao hàm
lượng mêtan trong hỗn hợp nhằm nâng cao nhiệt trị của nhiên liệu. Việc sử dụng
khí biogas cho phương tiện vận tải gặp phải không ít khó khăn do hàm lượng
của thành phần mêtan khá thấp và thấp hơn nhiều so với khí thiên nhiên.

Khí dầu mỏ hóa lỏng

LPG là sản phẩm của quá trình hóa lỏng khí đồng hành thu được trong
quá trình chưng cất dầu mỏ bao gồm hai thành phần chính là propan, C3H8 và
butan, C4H10. LPG có thể sử dụng trực tiếp thay thế cho xăng trên động cơ đánh
lửa cưỡng bức hoặc cũng có thể sử dụng trên động cơ cháy do nén.
Giá trị áp suất hóa lỏng LPG phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp: khoảng
2,2 bar đối với C4H10 tại 200
C, và khoảng 22 bar đối với C3H8 tại 550
C. Thông

13
thường LPG được chứa trong bình ở áp suất khoảng 8 bar với tỷ lệ propan/butan
khoảng 60% /40%.

Hyđrô và khí giàu hyđrô

Hyđrô có thể được sản xuất từ nguồn hyđrô các bon hóa thạch, từ nước và từ
sinh khối bằng các phương pháp như reforming hơi nước, ô xy hóa không hoàn
toàn, nhiệt phân khí thiên nhiên, thu hồi từ quá trình reforming và điện phân nước.
Có ba phương pháp đã được áp dụng để tồn trữ hyđrô là: Tích trữ ở thể lỏng
ở -2350
C trong bình đông lạnh; dưới dạng hyđrua kim loại như hyđrua sắt - titan
FeTiH2 hoặc dạng khí nén ở áp suất từ 20 đến 70 MPa. Hyđrua kim loại giải phóng
hyđrô khi được nung nóng bằng nguồn nhiệt như hệ thống xả của ô tô. Phương
pháp tồn trữ hyđrô phổ biến nhất là ở thể lỏng và hyđrua kim loại, cả hai phương
pháp này đều có khả năng lưu trữ tương đương về mặt thể tích và đều cần thể
tích gấp 10 lần so với thùng chứa 5 galông xăng.
Hyđrô hiện được cho là nguồn tiềm năng làm pin nhiên liệu để sản sinh
điện năng. Mặc dù còn có những vấn đề khó khăn về quá trình tồn trữ và giá
thành, nhưng với nhiệt trị lớn (theo khối lượng) và nguồn nguyên liệu được xem
là vô hạn nên hiện tại hyđrô được xem là "nhiên liệu của tương lai".
Khí giàu hyđrô là hỗn hợp của khí hyđrô và một số khí khác như ôxy (trong
khí HHO), CO (trong khí tổng hợp) cùng một số tạp chất khác. Khí giàu hyđrô
thường được sử dụng trên động cơ như là một phụ gia nhiên liệu bằng cách bổ sung
khí vào đường nạp nhằm cải thiện quá trình cháy và giảm phát thải ô nhiễm.

Dimethyl Ether - DME

Dimethyl Ether (DME), công thức hóa học là CH3-O-CH3, là loại nhiên
liệu có thề làm khí đốt và có khả năng thay thế cho diesel trên động cơ cháy do
nén nhờ có trị số xetan cao. DME có thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác
nhau như nhiên liệu gốc hóa thạch, than đá, khí thiên nhiên và sinh khối.

Than hóa lỏng và khí tổng hợp hóa lỏng

Than đá sau quá trình khí hóa, tạ ra syngas và thực hiện quá trình Fischer -
Tropch (FT) để tạo thành FT-diesel (CTL). Trong khi đó, GTL được điều chế từ

14
khí mê tan, CH4 (có thể từ nguồn gốc tái tạo như biogas hoặc từ nguồn gốc hóa
thạch như khí thiên nhiên). Các sản phẩm nhiên liệu được sản xuất từ khí mê tan
gồm methanol, DME hoặc FT-diesel.
1.4. Viễn cảnh sử dụng nhiên liệu cho động cơ đốt trong
Hình 1.2 trình bày các loại nhiên liệu có thể sử dụng để thay thế hoặc sử
dụng đồng thời với nhiên liệu truyền thống dưới dạng trộn lẫn với nhau (đối với
nhiên liệu lỏng) hoặc ở dạng lưỡng nhiên liệu/đa nhiên liệu (khi nhiên liệu thay
thế ở thể khí).
Hình 1.2. Các loại nhiên liệu thay thế dùng cho động cơ đốt trong [8]
Các loại nhiên liệu thay thế ở dạng lỏng hiện đang được sử dụng rộng rãi
bao gồm: methanol, ethanol, bio-diesel, dầu thực vật (vegetable oil),
ETBE/MTBE, diesel pha trộn với ethanol (E-diesel). Các loại nhiên liệu hứa hẹn
sẽ được sản xuất và sử dụng rộng rãi trong tương lai gồm Butanol, HVO,
GTL/CTL và BTL.
Các loại nhiên liệu thay thế ở dạng lỏng hiện đang sử dụng rộng rãi gồm
CNG, LPG và Biogas, trong khi DME và đặc biệt là khí hy đrô hứa hẹn sẽ có
tương lai rất lớn trong việc thay thế cho các loại nhiên liệu truyền thống.
Từ kinh nghiệm nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu thay thế, có thể thấy rõ
ràng rằng các động cơ được thiết kế theo các yêu cầu hướng tới tương thích với

15
các loại nhiên liệu nhất định (tạm gọi là các loại nhiên liệu quy định). Khi nhiên
liệu sử dụng trên thực tế đáp ứng được các yêu cầu về chủng loại cũng như tính
chất của nhiên liệu quy định thì động cơ sẽ hoạt động bình thường. Nhưng khi
tính chất của nhiên liệu thay thế không đáp ứng được các yêu cầu của nhiên liệu
quy định thì động cơ có thể vận hành ngoài vùng thiết kế và đương nhiên các
thông số tính năng như công suất, tiêu thụ nhiên liệu, hiệu suất, các thành phần
khí thải... sẽ bị ảnh hưởng.
Có hai giải pháp đối với vấn đề này. Thứ nhất là cải tiến động cơ, tức là
điều chỉnh các yêu cầu thiết kế liên quan đến việc tương thích với nhiên liệu quy
định nhằm đáp ứng được tính chất của nhiên liệu thay thế hoặc tính chất của
nhiên liệu thay thế phải được cải thiện để đáp ứng được yêu cầu của nhiên liệu
quy định. Điều quan trọng nhất của vấn đề này đó là thiết lập tiêu chuẩn để đáp
ứng được yêu cầu từ cả hai phía. Việc lựa chọn giải pháp nào và thời gian, chi
phí đối với giải pháp đó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kỹ thuật, địa điểm, tiềm
lực kinh tế, xã hội và cả chính trị.
1.5. Tổng quan về truyền nhiệt trong động cơ đốt trong
1.5.1. Truyền nhiệt trong động cơ
Nhiệt độ của môi chất công tác trong xi lanh biến thiên với biên độ lớn.
Nhiệt độ cuối quá trình nạp khoảng 310 420 [K] nhưng khí cháy đạt tới trị số
1750 2800 [K] [2]. Nhiệt độ cực đại cho phép của vật liệu đối với các chi tiết
trong không gian buồng cháy bị giới hạn và thấp hơn giá trị cực đại của khí
cháy. Chính vì vậy cần phải làm mát cho nắp xi lanh, xi lanh và pít tông. Trong
quá trình làm việc, dòng nhiệt đối với các chi tiết rất không đồng đều, trong quá
trình cháy, dòng nhiệt truyền cho thành vách buồng cháy có thể lên tới 10
MW/m2
nhưng ở những quá trình khác của chu trình công tác, dòng nhiệt là rất
nhỏ, thậm chí bằng không.
Dòng nhiệt này phụ thuộc nhiều vào vị trí, có giá trị lớn nhất tại những vùng
có khí cháy nhiệt độ cao và chuyển động với tốc độ lớn. Ở những vùng dòng nhiệt
cao, ứng suất nhiệt phải được giữ thấp hơn mức có thể gây nên phá hỏng vì mỏi

16
(thấp hơn khoảng 400 0
C đối với gang và 300 0
C đối với hợp kim nhôm). Bề
mặt gương xi lanh phải được giữ thấp hơn 180 0
C để ngăn chặn phá hỏng màng
dầu bôi trơn. Bugi đánh lửa và xu páp phải được làm mát để tránh hiện tượng
đánh lửa sớm và tiếng gõ động cơ. Chính vì vậy, giải quyết vấn đề trao đổi nhiệt
là một nhiệm vụ quan trọng trong thiết kế động cơ.
Trao đổi nhiệt ảnh hưởng tới hiệu suất, công suất động cơ và sự phát thải.
Đối với một lượng nhiên liệu đưa vào xi lanh, trao đổi nhiệt đối với thành vách
buồng cháy lớn sẽ làm giảm nhiệt độ và áp suất trung bình của khí cháy và sẽ
làm giảm công chỉ thị của chu trình. Do vậy công suất và hiệu suất chỉ thị bị ảnh
hưởng bởi lượng trao đổi nhiệt của động cơ.
1.5.2. Các mô hình truyền nhiệt
Có ba dạng trao đổi nhiệt cơ bản, đó là:
- Trao đổi nhiệt dẫn nhiệt.
- Trao đổi nhiệt đối lưu (đối lưu tự nhiên, đối lưu cưỡng bức, đối lưu
trong môi trường một pha, đối lưu trong môi trường biến đổi pha).
- Trao đổi nhiệt bức xạ.
1.5.2.1. Trao đổi nhiệt dẫn nhiệt
Dẫn nhiệt được thực hiện bằng chuyển động nhiệt của những phần tử vi
mô. Trong kim loại dẫn nhiệt được thực hiện bằng chuyển động của các điện tử
tự do, trong chất lỏng và chất rắn dẫn nhiệt được thực hiện bằng chuyển động
nhiệt của nguyên tử, phân tử của những phần vật chất cạnh nhau, trong chất khí
dẫn nhiệt được thực hiện bằng truyền năng lượng khi các phần tử khí va chạm
nhau.
Fourier đã giả thiết dòng nhiệt như dòng chất chảy không có trọng lượng
và hình thành định luật Fourier [2]:
q = -VL.gradT = -VL.

T
n [W/m2
]
Q = q.F = -VL.F. T
[W]
n
Dòng nhiệt tỉ lệ với gradient nhiệt độ và diện tích bề mặt đẳng nhiệt.

17


trong đó:

VL - là hệ số dẫn nhiệt;

F - là diện tích bề mặt đẳng nhiệt;

- là gradient nhiệt độ.

Dấu (-) biểu thị hướng dòng nhiệt từ nhiệt độ cao đến nhiệt độ thấp ngược
với hướng gradient nhiệt độ.

Trường nhiệt độ


Trường nhiệt độ là tổng hợp các giá trị của nhiệt độ tại các điểm khác
nhau của không gian khảo sát. Nhiệt độ của các điểm khác nhau có giá trị khác
nhau và tại các thời điểm khác nhau nhiệt độ có giá trị khác nhau, như vậy
trường nhiệt độ phụ thuộc theo thời gian và không gian.

Trường nhiệt độ không ổn định: T= T(x,y,z,);

Trường nhiệt độ ổn định: T = T(x,y,z).

Gradient nhiệt độ


Gradient nhiệt độ là sự thay đổi nhiệt độ trên một đơn vị chiều dài theo
phương pháp tuyến của bề mặt đẳng nhiệt, nó là đại lượng véc tơ, chiều theo
chiều tăng nhiệt độ.
gradT(x,y,z) =

T
n n0 =

T
x i +

T
y j +

T
z k


trong đó:


n0 - véc tơ đơn vị trên phương pháp tuyến;


i , j , k - véc tơ đơn vị trên các trục của hệ trục tọa độ.

Mật độ dòng nhiệt và định luật Fourier


Lượng nhiệt đi qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian gọi là
mật độ dòng nhiệt và theo định luật Fourier thì mật độ dòng nhiệt tỉ lệ thuận với
gradient nhiệt độ.


Hệ số dẫn nhiệt

T
n

18
Hệ số dẫn nhiệtVL [W/m.K] là lượng nhiệt dẫn qua một đơn vị bề mặt
đẳng nhiệt trong một đơn vị thời gian khi mà gradient nhiệt độ bằng một đơn vị.
Hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào tính chất vật chất và nhiệt độ được xác định bằng
thực nghiệm.
1.5.2.2. Trao đổi nhiệt đối lưu
Trao đổi nhiệt đối lưu là một dạng cơ bản của truyền nhiệt được thực hiện
bằng chuyển động của chất lỏng hoặc chất khí tiếp xúc với bề mặt ngăn cách.
Chất lỏng hoặc chất khí được gọi là chất chảy tiếp xúc với bề mặt ngăn cách
thường là bề mặt vật rắn có độ chênh lệch nhiệt độ tạo ra dòng nhiệt trao đổi nhiệt
đối lưu. Dòng nhiệt trao đổi nhiệt đối lưu phụ thuộc vào tính chất vật lý của chất
chảy, điều kiện chảy và trạng thái bề mặt của vật rắn. Xác định dòng nhiệt trao
đổi nhiệt đối lưu theo công thức Newton-Richman:
Q =.F.△T [W]
Dòng nhiệt riêng:
q =
Q
=.△T [W/m2
]
F
trong đó:
 [W/m2
.K] - là hệ số trao đổi nhiệt đối lưu phụ thuộc vào tính chất chảy,
điều kiện chảy, hình dạng và kích thước vật và được xác định bằng thực nghiệm;
F [m2
] - là diện tích bề mặt trao đổi nhiệt đối lưu;
△T [0
C] - là độ chênh nhiệt độ;
△T = Tw - Tf khi nhiệt độ vách Tw lớn hơn nhiệt độ chất chảy Tf; △T = Tf - Tw khi nhiệt độ chất chảy Tf lớn hơn nhiệt độ vách Tw.
Dòng nhiệt trao đổi nhiệt đối lưu được dẫn qua lớp biên tiếp xúc giữa chất
chảy và bề mặt vật rắn, xác định theo định luật Fourier:
 T
q = -VL. 
nn0
Từ các biểu thức trên ta nhận được:

19
 = -
VL
T .

T
n
Khi biến thiên nhiệt độ chỉ theo hướng y vuông góc với bề mặt của vật
phương trình có dạng:
 = -   T
VL
. 
T 
y
y0
1.5.2.3. Trao đổi nhiệt bức xạ
Bức xạ nhiệt là một dạng cơ bản của truyền nhiệt được thực hiện bằng
những sóng điện từ. Khác với dẫn nhiệt và đối lưu (là dạng truyền nhiệt tiếp
xúc), bức xạ nhiệt là dạng truyền nhiệt không tiếp xúc.
Sự truyền bá các tia nhiệt trong không gian gọi là bức xạ nhiệt, quá trình
trao đổi nhiệt dưới dạng bức xạ gọi là quá trình trao đổi nhiệt bức xạ.
Tất cả các vật trong không gian, một mặt biến nội năng thành năng lượng
bức xạ, mặt khác lại hấp thụ một phần năng lượng bức xạ của các vật khác để
biến thành nội năng. Khi nhiệt độ của các vật bằng nhau, năng lượng phát đi và
hấp thụ trong mỗi vật sẽ bằng nhau, ta nói vật ở trạng thái cân bằng.
Khác với trao đổi nhiệt dẫn nhiệt và đối lưu, ở đây quá trình trao đổi nhiệt
bức xạ không chỉ phụ thuộc vào độ chênh lệch nhiệt độ mà còn phụ thuộc vào
giá trị tuyệt đối của nhiệt độ các vật.
Trong động cơ đốt trong có hai nguồn trao đổi nhiệt bức xạ [2]: nguồn nhiệt
từ khí cháy với nhiệt độ cao và các hạt bồ hóng trong ngọn lửa động cơ diesel.
Trong động cơ xăng, ngọn lửa lan truyền ngang qua buồng cháy từ điểm đánh lửa
qua hỗn hợp nhiên liệu (nhiên liệu và không khí) đã được hòa trộn trước. Mặc dù
phía trước ngọn lửa là tương đối sáng chói, tất cả các phản ứng hóa học trung gian
là thể khí. Quá trình cháy thực sự hoàn tất vào đầu quá trình giãn nở. Trong động
cơ diesel, đa số nhiên liệu cháy trong ngọn lửa rối khuếch tán khi nhiên liệu và
không khí hòa trộn cùng nhau. Có thể có nhiều điểm cháy và ngọn lửa phù hợp với
tia phun nhiên liệu cho đến khi bị phân tán bởi chuyển động rối của dòng

20
không khí. Khi ngọn lửa sáng hơn và những hạt bồ hóng (chủ yếu là Carbon)
được hình thành ở giữa quá trình cháy.
Trao đổi nhiệt bức xạ từ hạt bồ hóng trong ngọn lửa động cơ diesel vào
khoảng 5 lần so với bức xạ từ khí cháy. Trao đổi nhiệt bức xạ trong động cơ
xăng thông thường là nhỏ so với quá trình trao đổi nhiệt đối lưu. Tuy nhiên, trao
đổi nhiệt bức xạ trong động cơ diesel là không đáng kể, chiếm 20 35% tổng số
lượng nhiệt trao đổi.
1.5.2.4. Quá trình trao đổi nhiệt tổng quát trong động cơ
Hình 1.3 giới thiệu sơ đồ quá trình trao đổi nhiệt từ khí cháy trong xi lanh
động cơ qua thành vách buồng cháy tới nước làm mát. Hình 1.4 giới thiệu sơ đồ
truyền nhiệt đối lưu tới thành buồng cháy.
T
Tg
Tg q
CN
q
CV
q
CV
+ q
R
M«i chÊt
N-íc lµm m¸t
c«ng t¸c
T
w.g
Tw.c Tc
Tc
tw
Hình 1.3. Sơ đồ phân bố nhiệt độ và dòng nhiệt
ngang thành vách buồng cháy
Buồng cháy Thành xi lanh
Số Nusselt
Lớp biên
Số Reynolds
Lớp biên
Số Prandtl.
Hình 1.4. Sơ đồ truyền nhiệt đối lưu tới thành buồng cháy, [2]

21
Dòng nhiệt trao đổi với thành vách ở cả hai dạng thông thường, đối lưu và
bức xạ. Sau đó dòng nhiệt được dẫn nhiệt qua thành vách và cuối cùng được đối
lưu từ thành tới nước làm mát.
Trong mỗi chu trình công tác của động cơ đốt trong, trao đổi nhiệt diễn ra
dưới điều kiện nhiệt độ, áp suất và tốc độ dòng khí thay đổi. Tốc độ dòng khí thay
đổi nhiều hay ít phụ thuộc vào hình dạng buồng cháy và cửa nạp. Hơn nữa, diện
tích bề mặt buồng cháy thay đổi theo chu trình. Dòng nhiệt trong thành vách thay
đổi một cách liên tục từ một giá trị âm trong suốt quá trình nạp tới giá trị dương
ở đầu quá trình giãn nở. Quá trình truyền nhiệt đối lưu từ khí cháy tới thành vách
được mô tả trên hình 1.4, trong đó lớp biên thủy lực đóng vai trò quan trọng tới
nhiệt độ bề mặt gương xi lanh. Tuy nhiên, để mô phỏng chính xác lớp màng
thủy lực này gặp rất nhiều khó khăn lên trong quá trình tính toán trường nhiệt độ
của xi lanh bỏ qua ảnh hưởng của lớp biên này.
1.6. Các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến nội dung đề tài
Có thể thấy rằng, vấn đề nghiên cứu sử dụng các loại alcohol làm nhiên liệu
thay thế cho xăng khoáng đã được nghiên cứu khá tỉ mỉ và thu được những kết quả
rất quan trọng. Ở Việt Nam, đến nay đã có một số công trình nghiên cứu về sử
dụng xăng sinh học. Trong đó các nghiên cứu chủ yếu liên quan đến việc đánh giá
ảnh hưởng của xăng sinh học (có tỷ lệ cồn ethanol nhỏ và thậm chí có tỷ lệ cồn
ethanol tới 100%) đến động cơ xăng truyền thống và một số ít nghiên cứu liên quan
đến việc chuyển đổi động cơ xăng dùng chế hòa khí sang sử dụng cồn ethanol. Trên
thế giới, nghiên cứu sử dụng xăng sinh học cho động cơ xăng đã được tiến hành rất
tỉ mỉ và công phu. Từ việc đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học trên động cơ
xăng cho đến thiết kế chế tạo động cơ mới chuyên dụng cho phương tiện sử dụng
nhiên liệu linh hoạt FFV - Flexible Fuel Vehicles. Thông thường xăng sinh học cho
phương tiện FFV có tỷ lệ cồn ethanol tới 85% (E85).
Vấn đề sử dụng alcohol cho động cơ diesel chưa được đề cập trong các
nghiên cứu ở Việt Nam. Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu sử dụng
các loại nhiên liệu alcohol khác nhau cho động cơ cháy do nén [11 ÷ 29]. Các

22
công trình này chủ yếu tập trung đánh giá ảnh hưởng của các loại nhiên liệu
alcohol tới các chỉ tiêu năng lượng, kinh tế và phát thải của động cơ. Một số
công trình đã phân tích đánh giá ảnh hưởng của các loại nhiên liệu alcohol tới
đặc tính cháy.
Như vậy có thể thấy rằng, nghiên cứu sử dụng các nhiên liệu alcohol cho
động cơ cháy do nén (động cơ diesel) vẫn còn khá hạn chế đặc biệt là ở Việt Nam.
Về các công trình liên quan đến vấn đề phụ tải nhiệt và truyền nhiệt trên
động cơ có thể kể đến các công trình của các tác giả Nguyết Viết Cường,
Nguyễn Lê Văn và Nguyễn Trung Kiên.
Trong công trình “Nghiên cứu trạng thái ứng suất nhiệt nắp xi lanh động cơ
xăng” của Nguyễn Viết Cường, tác giả đã nghiên cứu trạng thái ứng suất nhiệt nắp
xi lanh động cơ xăng UAZ 451. Từ các kết quả nghiên cứu của luận án cho thấy
vùng cầu nối giữa hai xu páp và cửa xả là những vùng có nhiệt độ cao nhất (tương
ứng là 716 và 681 [K]). Trường nhiệt độ của nắp xi lanh phân bố không đồng đều,
có sự chênh lệch lớn về nhiệt độ giữa các vị trí của nắp xi lanh. Đây là nguyên nhân
gây ra rạn nứt, cong, vênh nắp xi lanh trong quá trình làm việc, ảnh hưởng tới khả
năng bao kín buồng cháy và độ tin cậy làm việc của động cơ.
Trong luận án tiến sĩ “Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến sự
tương tác của cặp pít tông - xi lanh động cơ diesel lai máy phát điện tàu thủy”
của Nguyễn Lê Văn, tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến sự
tương tác của cặp pít tông - xi lanh động cơ diesel lai máy phát điện tàu thủy.
Các kết quả nghiên cứu đã công bố cho thấy khi có xét đến ảnh hưởng của phụ
tải nhiệt, vận tốc chuyển động phụ của pít tông trong khe hở giữa pít tông và xi
lanh giảm đi một cách đáng kể, làm giảm lực va đập giữa pít tông và xi lanh và
khẳng định sự cần thiết phải tiến hành sấy nóng động cơ đến một nhiệt độ nhất
định trước khi cho động cơ nhận tải để tránh va đập và hao mòn cho cặp pít tông
- xi lanh động cơ.
Trong luận án tiến sĩ “Nghiên cứu ảnh hưởng của mức độ tăng áp đến phụ
tải nhiệt của động cơ diesel” của Nguyễn Trung Kiên, tác giả đã nghiên cứu ảnh

23
hưởng của các mức độ tăng áp khác nhau đến phụ tải nhiệt của động cơ; thông
qua các kết quả tính toán và thực nghiệm, để đảm bảo độ tin cậy làm việc của
động cơ khảo sát theo các chỉ tiêu phụ tải nhiệt khi tăng áp bằng bộ tua bin biến
áp chỉ nên sử dụng hệ sốk 2,0.
Như vậy có thể thấy rằng, vấn đề nghiên cứu trạng thái nhiệt của ống lót
xi lanh nói riêng và phụ tải nhiệt của động cơ nói chung đã có một số công trình
tiêu biểu kể trên đề cập tới; tuy nhiên, chưa có công trình nào đề cập tới khi động
cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu cồn - diesel.
1.7. Kết luận chương 1
Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan các vấn đề liên quan trực tiếp đến hướng
nghiên cứu của luận văn, tác giả rút ra một số kết luận sau:
- Cồn etylic thường được gọi ethanol là nhiên liệu sinh học có ưu điểm cháy
sạch. Ethanol có thể được sản xuất từ vụn gỗ, rơm rạ, cây lương thực biến đổi
gen... điều này giúp cho giảm chu kỳ tái sinh của CO2, là một hướng mà nhiều
nước đang hết sức quan tâm. Do đó việc ứng dụng ethanol làm nhiên liệu thay
thế sẽ làm giảm ô nhiễm khí thải, tăng cường kinh tế nông nghiệp, tạo nhiều cơ
hội việc làm và giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.
- Việc sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn làm nhiên liệu cho
phương tiện, đặc biệt ở điều kiện Việt Nam giúp giảm sự phụ thuộc vào được sản
xuất thông qua việc phối trộn giữa xăng khoáng và cồn ethanol đang là loại nhiên
liệu sinh học được ứng dụng và phát triển rộng rãi trên thế giới nhằm đáp ứng nhu
cầu năng lượng ngày càng gia tăng của con người đồng thời góp phần giảm thiểu
ô nhiễm môi trường.
- Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu sử dụng ethanol với tỷ
lệ khác nhau và công nghệ khác nhau cho động cơ đốt trong, nhưng chủ yếu cho
động cơ đánh lửa cưỡng bức, chưa quan tâm nhiều cho động cơ cháy do nén
(động cơ diesel) vì ethanol có tính tự cháy kém. Để nâng cao tỷ lệ ethanol thay
thế cho nhiên liệu hóa thạch cần tăng cường nghiên cứu ứng dụng ethanol cho
động cơ diesel là động cơ chiếm tới 50% tổng số động cơ đốt trong.

24
CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG
BẰNG PHẦN MỀM GT-POWER
2.1. Giới thiệu phần mềm GT-Power
2.1.1. Giới thiệu chung
Phần mềm GT-Power nằm trong bộ phần mềm GT-Suite do hãng Gama
Technologies của Mỹ xây dựng và phát triển. Hiện nay phần mềm GT-Power đã
được thương mại hóa trên toàn cầu. Phần mềm này đang được các công ty lớn
trên thế giới trong lĩnh vực sản xuất động cơ, xe đua công thức 1, tàu thủy và các
trung tâm nghiên cứu, các trường đại học sử dụng. GT-Power là công cụ mô
phỏng động cơ chuyên nghiệp, áp dụng cho các loại động cơ đốt trong 2 kỳ hoặc
4 kỳ, sử dụng cho phương tiện vận tải đường bộ, tàu thuyền, trạm phát điện, xe
thể thao… GT-Power cung cấp cho người sử dụng nhiều phần tử để mô hình hóa
bất kỳ bộ phận nào của động cơ. Nó có khả năng liên kết (link) với các phần
mềm khác để mô phỏng hiệu quả và chính xác hơn như phần mềm CFD Star-
CD, Fulent, Simulink, … Nó được tích hợp các công cụ mạnh phục vụ thiết kế
như DOE/optimization (thiết kế theo thực nghiệm/tối ưu hóa), mô hình sơ đồ
mạng nơ rôn và điều khiển… GT-Power được xây dựng cho việc tính toán trạng
thái ổn định và trạng thái chuyển tiếp. GT-Power có thể sử dụng như một công
cụ riêng, cũng có thể được liên kết với bộ GT khác như:
- GT-Drive (hệ thống truyền lực);
- GT-VTrain (hệ thống phân phối khí);
- GT-Fuel (hệ thống nhiên liệu);
- GT-Cool (hệ thống làm mát);
- GT-Crank (cơ cấu khuỷu trục thanh truyền)…
- Xây dựng đặc tính mô men và tiêu thụ nhiên liệu của động cơ;
- Thiết kế và hiệu chỉnh đường ống;
- Đặc tính chuyển tiếp và phản ứng của hệ thống;
- Tối ưu hóa trị số thời gian – thiết diện;

25
- Tính toán mô phỏng cháy và khí xả;
- Tăng áp và liên kết tuabin – máy nén;
- Thiết kế hệ thống tuần hoàn khí xả (EGR);
- Tính toán âm (độ ồn nạp, thải);
- Đặc tính kéo của phương tiện;
- Tính toán chu trình nhiệt của động cơ;
- Mô phỏng hệ thống điều khiển;
- Mô phỏng theo biến thời gian thực của động cơ;
- Tính toán thiết kế với DOE (Design of Expremental).
2.1.2. Cửa sổ giao diện chính
Phần mềm GT-Power có cửa sổ giao diện dùng để xây dựng mô hình và
tính toán như cửa sổ giao diện của các phần mềm hiện đại khác như: SolidWork,
Inventor, AVL-BOOTS,…
Cửa sổ giao diện chính trên hình 2.1 bao gồm [9]:
Các thanh công cụ File, Edit, View, Run, DOE, Assembly, Tools,
Window và Help. Công dụng của các thanh công cụ được diễn giải cụ thể trong
phần Help. Các biểu tượng chức năng được sắp xếp bên dưới của các thanh công
cụ. Các phần tử có sẵn của chương trình được sắp xếp bên trái màn hình. Quá
trình xây dựng mô hình được thực hiện bên phải màn hình. Các phần tử tham gia
quá trình xây dựng mô hình được đưa từ bên trái mành hình (danh mục các phần
tử) sang bên phải màn hình (trong vùng xây dựng mô hình) bằng lệnh coppy.
Việc thay đổi kích thước, khoảng cách và hướng của các phần tử được thực hiện
bởi các phím và biểu tượng chức năng khác nhau.
Sau khi thực hiện xong việc lựa chọn và định vị các phần tử trên vùng xây
dựng mô hình, tiếp tục việc nối các phần tử với nhau thông qua các phần tử liên
kết. Số lượng các phần tử được lựa chọn phù hợp với từng loại động cơ.

26
Hình 2.1. Cửa sổ giao diện GT-Power
Các phần tử được nhập dữ liệu ngay trên giao diện cửa sổ phụ. Định nghĩa
các thuộc tính của các phần tử có trong thư viện GT-Suite.
2.2. Thư viện các phần tử của GT-Power
Thư viện các phần tử dòng chảy (flow) bao gồm các phần tử bộ phận
(component), các phần tử liên kết (connection), các phần tử tra cứu (reference).
Các phần tử bộ phận gồm: phần tử xy lanh, trục khuỷu, hộp trục khuỷu,
đường ống, rẽ nhánh, tuabin, máy nén, điều kiện môi trường, tiết lưu,…
Các phần tử liên kết gồm: phần tử vòi phun, bơm cao áp, xu páp,…

27
Các phần tử của mô hình động cơ khảo sát bao gồm:
2.2.1. Phần tử xy lanh (EngCylinder)
Hình 2.2. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử xy lanh
Phần tử này dùng định nghĩa các đặc trưng của xy lanh động cơ. Dữ liệu
cần nhập vào cho phần tử này bao gồm:
- Start of Cycle (CA at IVC): Góc quay trục khuỷu tại điểm bắt đầu chu
trình tính. Giá trị này không ảnh hưởng đến tính toán mô phỏng, thường được
chọn ngầm định “def’’.
- Cylinder Geometry Object: Định nghĩa các thông số hình học của xy
lanh và pít tông.
- Initial State Name: Phần tử tra cứu diễn tả các giá trị điều kiện đầu bên
trong xy lanh.
- Reference State for Volumetric Efficiency: Điều kiện chuẩn để xác định
hệ số nạp. Điều kiện này thường tuân theo các điều kiện biên môi trường.
- Cylinder Combustion Mode: Lựa chọn mô hình cháy, có nhiều mô hình
cháy được sử dụng như mô hình Wibe, Woschni,…

28
- Independent: Trong mô hình này tốc độ cháy trong mỗi xy lanh được
tính độc lập. Chức năng này được chọn cho tất cả chế độ cháy ngoại trừ động cơ
có buồng cháy trước và buồng cháy xoáy lốc.
- Master, Slave: Lựa chọn này áp dụng để tính toán cho các loại động cơ
có buồng cháy trước và buồng cháy xoáy lốc.
2.2.2. Phần tử cơ cấu phân phối khí (ValveCamconn)
Hình 2.3. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử cơ cấu phân phối khí
Phần tử này định nghĩa các thông số của cam đóng mở xu páp nạp và xu
páp thải, bao gồm các thông số hình học, biên dạng cam và đặc tính dòng chảy
qua xu páp.
- Valve reference diameter: Đường kính nấm xu páp;
- Valve Lash: Khe hở nhiệt của đuôi xu páp;
- Cam Timing Angle: Góc làm việc của cam;
Ngoài ra, các tham số cần được đưa vào là độ nâng xu páp theo góc quay
trục khuỷu, các giá trị về hệ số dòng chảy theo độ nâng xu páp được biểu diễn
dưới dạng bảng trong menu Lift Array, Flow Array,…

29
2.2.3. Phần tử vòi phun (InjProfileConn)
Hình 2.4. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử vòi phun
Phần tử này được dùng để mô tả vòi phun nhiên liệu. Chức năng chính
của vòi phun là phun nhiên liệu với áp suất cao vào buồng cháy động cơ.
Một số kiểu vòi phun được mô tả sẵn là: vòi phun kiểu chốt, kiểu kim
phun, đơn cấp, đa cấp. Các thông số cần nhập vào mô hình gồm:
- Inject Mass: lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình;
- Start of Injection: Góc phun sớm nhiên liệu theo góc quay trục khuỷu;
- Nozzle Type Injection: Kiểu lỗ phun;
2.2.4. Phần tử các thông số chung của động cơ (Engine CrankTrain)
Phần tử này xác định các thuộc tính chung của động cơ. Các mô hình của
cơ cấu khuỷu trục - thanh truyền, biến áp suất cháy trong xy lanh thành mô men
có ích trên trục khuỷu.

30
Hình 2.5. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử các thông số động cơ
Các thông số cần nhập vào phần tử bao gồm:
- Engine Type: Loại động cơ 2 kỳ hay 4 kỳ;
- Number of cylinder: Số xy lanh động cơ;
- Configuration of cylinder: Bố trí xi lanh 1 hàng hay chữ V;
- Speed or load specification: Xác định chế độ tính toán theo tốc độ vòng
quay (speed) hay phụ tải (Load).
- Engine speed: Số vòng quay động cơ ở chế độ khảo sát;
- Engine Friction Object: Tổn hao do mát sát.
- Start of Cycle (CA at IVC): Góc quay trục khuỷu tại điểm bắt đầu chu
trình tính, trước điểm chết trên.
- Firing order: Thứ tự công tác của động cơ;
- Cylinder Geometry: Các thông số hình học của xy lanh như đường kính
xy lanh, hành trình pít tông, chiều dài thanh truyền, tỷ số nén, …

31
2.2.5. Phần tử EndEnvironment (các biến môi trường)
Phần tử này mô tả các điều kiện biên môi trường đầu vào và đầu ra của mô
hình.
2.2.6. Phần tử đường ống (Pipe)
Hình 2.6. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử đường ống
Phần tử này được sử dụng để xác định các thuộc tính về hình dáng hình
học của đường ống. Phần mềm sẽ tự động tính toán tổn thất áp suất tại các chỗ
cong, tiết diện co thắt.
Các thông số đầu vào của mô hình bao gồm:
- Diameter at Inlet End: Đường kính đầu vào của ống;
- Diameter at Outlet End: Đường kính đầu ra của ống;
- Length: Chiều dài ống.
- Discretization Length: Chiều dài rời rạc đường ống, thông số này cho phép
chia đường ống thành các đoạn nhỏ để tính toán.
- Surface Roughness: Độ nhám thành ống. Thông số này được sử dụng để
xác định tổn thất dòng, đối với các loại vật liệu và phương pháp gia công khác
nhau sẽ có giá trị khác nhau và được lựa chọn theo các khuyến cáo trong phần
trợ giúp của phần mềm.

32
- Wall Temperature: Nhiệt độ thành ống, được chọn là hằng số hay hàm
theo thời gian, được sử dụng để tính toán trao đổi nhiệt của thành ống với môi
chất công tác và môi trường.
Ngoài ra, các thông số về nhiệt độ ban đầu, hệ số lưu lượng của dòng tới,
dòng phản hồi, các mô hình truyền nhiệt khác cũng được lựa chọn đối với các
bài toán khác nhau.
2.2.7. Phần tử liên kết dòng (OrificeConn Connection)
Phần tử này mô tả vị trí giao tiếp giữa hai thành phần dòng chảy. Các
thông số cần định nghĩa cho phần tử này là: đường kính phần tử, hệ số lưu lượng
dòng tới và dòng phản hồi. Phần tử này đóng vai trò như một van tiết lưu hoặc
như một nhân tố cản dòng.
2.2.8. Phần tử dòng phân chia (Fsplit)
Hình 2.7. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử dòng phân chia
Phần tử này được sử dụng để mô tả các dòng rẽ nhánh, nó được dung để
mô tả dòng rẽ nhánh bất kỳ.
2.2.9. Phần tử chặn dòng (EndFlowCap)
Phần tử này được sử dụng để chặn dòng tại các vị trí cuối của đường ống
hay dòng phân nhánh. Không có dữ liệu được nhập cho phần tử này.

33
Trên đây là một số phần tử cơ bản của phần mềm GT-Power được sử
dụng trong quá trình thiết lập mô hình động cơ khảo sát.
2.3. Mô hình động cơ V12
2.3.1. Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình động cơ
Chu trình nhiệt động bên trong xi lanh của động cơ sẽ được tính toán bằng
phần mềm GT-Power, cơ sở lý thuyết của phần mềm này được trình bày cụ thể
như trong tài liệu tham khảo [9]. Để mô hình nhiệt động bên trong xi lanh động
cơ cần lựa chọn mô hình cháy và mô hình truyền nhiệt.
Lựa chọn mô hình cháy:
Như trình bày trong [2 ÷ 5], để tính toán chu trình công tác động cơ đốt trong
có nhiều mô hình cháy khác nhau để lựa chọn tùy theo mục đích và đối tượng
nghiên cứu cụ thể. Có mô hình tính độc lập quy luật cháy, tốc độ cháy; có mô hình
phải tính trong quan hệ mật thiết với sự thay đổi áp suất, nhiệt độ và sự trao đổi
nhiệt giữa các vùng với nhau; có mô hình dựa trên cơ sở lý thuyết động lực học
chất lưu (Computational Fluid Dynamics - CFD). Trong các mô hình cháy thường
áp dụng hiện nay, mô hình cháy đa vùng áp dụng cho tia phun trực tiếp (gọi tắt là
DI-jet) là mô hình được phát triển từ mô hình cháy của Hiroyasu và Kadota trong
đó có tính đến va chạm thành vách là mô hình phù hợp để tính động học tỏa nhiệt
khi cháy đối với động cơ diesel phun trực tiếp. Do vậy, luận án lựa chọn mô hình
cháy đa vùng cho tia phun trực tiếp (DI-jet) được tích hợp trong phần mềm GT -
Power để tính toán chu trình công tác. Mô hình hiện tượng đa vùng đưa ra cơ sở
tính toán sự phát triển của tia phun, bay hơi, hòa trộn, tỏa nhiệt ở các không gian
khác nhau trong buồng cháy bằng việc phân chia không gian trong xi lanh thành
2 hay nhiều vùng. Mỗi vùng được xem như một hệ thống nhiệt động học hòa trộn
mở, bởi vậy mô hình này có thể xác định được nhiệt độ và thành phần hóa học cục
bộ của từng vùng và cuối cùng là động học tỏa nhiệt khi cháy. Với việc phân chia
tia phun thành nhiều vùng, mô hình bao gồm các mô hình thứ cấp (mô hình
con) như: mô hình phát triển tia phun, thâm nhập và hòa trộn, bay hơi của các hạt,
truyền nhiệt của vùng, ... Hình 2.8 mô tả cách phân chia các vùng của tia phun và

34
quy luật đánh số thứ tự của các vùng trong mô hình DI-jet ứng dụng trong phần
mềm mô phỏng GT-Power [9], [2].
Hình 2.8. Các vùng của tia phun và quy luật đánh số các vùng, [2], [9]
Theo hình 2.8, tia phun được phân chia thành 5 vùng hướng kính và tối đa
là 80 vùng dọc theo trục tia và cách đánh số các vùng; ngoài ra còn cho thấy sự
thâm nhập, hòa trộn không khí và sự bay hơi của các hạt nhiên liệu khác nhau ở
các vùng hướng kính; ở vùng xa trục tia có tốc độ thâm nhập của không khí
nhanh hơn do đó tốc độ phát triển vào sâu của chúng cũng giảm hơn so với vùng
gần tâm trục tia. Trong mô hình DI-jet có đề cập đến mô hình phun, mô hình này
được thiết lập như là một mô hình con của mô hình cháy và đề cập tới động học
tia nhiên liệu như: độ xuyên sâu (độ dài) của tia phun, vấn đề phân rã hạt, sự
thâm nhập của không khí vào tia phun, sự bay hơi của các hạt, cháy trễ cũng như
tốc độ tỏa nhiệt khi cháy. Cơ sở toán học của mô hình DI-jet được trình bày cụ
thể trong [2], [9].
Lựa chọn mô hình truyền nhiệt:
Chúng ta biết rằng, truyền nhiệt giữa khí và thành vách xi lanh có ảnh hưởng
quan trọng tới sự phát thải của động cơ, chẳng hạn như thành phần khí xả HC chưa
cháy. Hơn nữa, trao đổi nhiệt cũng có ảnh hưởng tới hiệu suất động cơ. Trong đa số
trường hợp, trao đổi nhiệt đối lưu từ khí cháy là sự đóng góp chính tới dòng nhiệt
từ khí tới thành xi lanh. Chính vì vậy, trao đổi nhiệt đối lưu hiện là sự quan tâm
chính trong những mô hình truyền nhiệt động cơ. Tuy nhiên trong môi trường nhiệt
độ cao, đặc biệt khi lượng bồ hóng lớn được hình thành trong xi

35
lanh, dòng nhiệt do bức xạ trở nên quan trọng. Hơn nữa, nếu sự va đập của tia
phun trở nên mạnh mẽ, truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt thông qua màng nhiên liệu
không thể được bỏ qua. Hiện nay có các mô hình truyền nhiệt được sử dụng
rộng rãi trong mô phỏng CFD đa chiều và các mô hình kinh nghiệm để xác định
tốc độ tỏa nhiệt đối lưu giữa khí (môi chất công tác) và thành vách buồng cháy,
những mô hình này có thể được phân loại dựa vào dòng nhiệt dự định tính toán
và mục đích tính toán cụ thể. Theo đó, có mô hình tính toán dòng nhiệt trung
bình thời gian, có mô hình tính toán dòng nhiệt trung bình không gian tức thời
và mô hình tính toán dòng nhiệt cục bộ tức thời.
Các mô hình truyền nhiệt được sử dụng để tính toán dòng nhiệt tức thời
được trình bày cụ thể trong [2]; trong các mô hình này, phương trình truyền
nhiệt của Woschni cho kết quả tính toán dòng nhiệt cao hơn trong suốt quá trình
cháy và thấp hơn trong suốt quá trình nén. Mô hình của Annand và Hohenberg
cho các giá trị sát với giá trị đo được trong suốt quá trình nén và quá trình cháy.
Mô hình đề xuất bởi Hohenberg dựa trên số liệu quan sát thực nghiệm, thu
được sau khi kiểm tra tỉ mỉ công thức nguyên thủy của Woschni. Trong mô hình
này, tác giả đã thấy rằng sẽ thích hợp hơn khi sử dụng chiều dài đặc trưng là
đường kính của một khối cấu, toàn bộ thể tích của nó tương ứng với thể tích xi
lanh tức thời V.
Mô hình truyền nhiệt của Hohenberg như sau [2]:
 = C1V-0.06
p0.8
Tg
-0.4
(Cm + C2)0.8
(2.1)
trong đó: p - là áp suất trong xi lanh, [bar];
 - hệ số trao đổi nhiệt, [W/m2
.K];
Tg - nhiệt độ trong xi lanh, [K];

V =
6 ds
3
- Thể tích xi lanh tức thời, [m3
];
Cm - vận tốc trung bình pít tông, [m/s];
C1, C2 - hằng số, giá trị trung bình của các hằng số này lần lượt là
130 và 1.4.

36
Trong mô hình Hohenberg (công thức 2.1), các số mũ hiệu chỉnh và các
hằng số là kết quả thực nghiệm trên 4 động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp khác
nhau. Kết quả chỉ ra sự phù hợp giữa giá trị dòng nhiệt tính toán và dòng nhiệt đo ở
các tốc độ và điều kiện tải khác nhau. Hohenberg cho rằng, trong trường hợp động
cơ diesel tốc độ cao, mô hình của Woschni dự đoán thấp dòng nhiệt trong suốt quá
trình nén và quá trình thải, nhưng dự đoán cao giá trị cực đại của dòng nhiệt gây ra
bởi quá trình cháy. Kết quả trình bày bởi Hohenberg thể hiện sự cải tiến trong
những hạn chế của mô hình Woschni như trình bày trên hình 2.9.
[W/m2
.K] Mô hình Woschni.
Mô hình Hohenberg
[độ GQTK]
Hình 2.9. Hệ số trao đổi nhiệt theo góc quay trục khuỷu tính toán theo
phương trình của Woschni và Hohenberg, [2]
Trong mô hình đề xuất bởi Hohenberg cho phép dự đoán giá trị hệ số trao
đổi nhiệt tốt hơn trong suốt kỳ thải và tránh được dự đoán quá cao dòng nhiệt
cực đại trong suốt quá trình cháy ở động cơ diesel phun trực tiếp. Điều này có
được thông qua các số liệu thực nghiệm thu được khi tiến hành nghiên cứu về
các loại động cơ nói trên.
Vì vậy, trong nội dung nghiên cứu của luận văn, tác giả sử dụng mô hình
truyền nhiệt của Hohenberg để mô phỏng quá trình truyền nhiệt từ khí cháy tới
thành vách buồng cháy.
2.3.2. Xây dựng mô hình
Trên cơ sở định nghĩa và lựa chọn các phần tử tương ứng, mô hình động cơ
V12 (động cơ diesel cao tốc 4 kỳ, 12 xi lanh bố trí chữ V, phun nhiên liệu trực

37
tiếp, không tăng áp, buồng cháy thống nhất) được trình bày trên hình 2.10 bao
gồm các phần tử đã được giới thiệu ở trên.
Hình 2.10. Mô hình động cơ V12
2.3.3. Nhập dữ liệu cho mô hình

Dữ liệu điều khiển chung

Các thành phần trong mô hình được giới thiệu trong bảng 2.1.
Bảng 2.1. Các phần tử chính của mô hình động cơ V12, [30]
TT Phần tử S.lg Mô tả Các thông số đầu vào
Điều kiện biên
Áp suất, nhiệt độ môi trường
1 Inlet-Env 02 môi trường, dòng
vào....
vào
Exhaust-
Điều kiện biên
2 24 môi trường, dòng Áp suất, nhiệt độ môi trường ra....
Env
ra

38
Mô tả chỗ dòng
Thể tích, độ nhám bề mặt, nhiệt độ
3 FS_Intake 12 thành, trạng thái dòng, góc giữa
rẽ nhánh
các nhánh trên hệ toạ độ xyz.
Mô tả đoạn ống Chiều cao, chiều rộng, độ nhám bề
4 PR_In 10
có mặt cách mặt, nhiệt độ thành, trạng thái
ngang hình dạng dòng.
hình chữ nhật
Phần tử mô tả
5 OC_In 12 điều kiện dòng Thể tích, hệ số lưu lượng vào, ra.
thay đổi
Đường kính vào, ra, chiều dài ống,
6 intport 24
Mô tả các đoạn chiều dài rời rạc hóa (để tính toán),
ống nạp nhám bề mặt, nhiệt độ thành, các
yếu tố truyền nhiệt.
7 exhport 24
Mô tả các đoạn
Như trên
ống xả
Đường kính tán nấm Xu páp, khe
8 intvalve 24 Mô tả xu páp nạp hở nhiệt, biên dạng cam, hệ số lưu
lượng....
9 exhvalve 24
Mô tả Xu páp Như trên
thải
Lượng nhiên liệu cấp cho 1 chu
trình, góc phun sớm nhiên liệu,
10 Inject 12 Mô tả vòi phun
quy luật phun, áp suất phun, nhiệt
độ nhiên liệu, đường kính lỗ phun,
số lỗ phun, hệ số lưu lượng qua lỗ
phun....

39
Mô tả phần tử xi
Các thông số kích thức hình học,
11 Cyl 12 mô hình cháy, mô hình truyền
lanh
nhiệt....
Số xi lanh, bố trí, chế độ tính toán
Mô tả phần còn
động cơ, tổn hao cơ giới, mô men
12 V12 01 quán tính của trục khuỷu, chu kỳ
lại của động cơ
tính, thứ tự làm việc của các xi
lanh...
Các thông số đầu vào động cơ V12 được giới thiệu trong bảng 2.2.
Bảng 2.2. Các thông số đầu vào động cơ V12 sử dụng trong mô hình, [30]
TT Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
1 Số xi lanh i 12 -
Diesel cao tốc 4 kì, phun nhiên
2 Kiểu động cơ V12 liệu trực tiếp không tăng áp,
buồng cháy thống nhất.
3
Thứ tự làm việc của các xi
1T
-6P
-5T
-2P
-3T
-4P
-6T
-1P
-2T
-5P
-4T
-3P
lanh
4 Đường kính xi lanh D 150 mm
Hành trình pít tông S
5 - Dãy chính (dãy bên trái) 180 mm
- Dãy phụ (dãy bên phải) 186,7
6 Chiều dài thanh truyền L 320 mm
7 Độ lệch chốt pít tông 0 mm
8 Kiểu bố trí xi lanh Kiểu chữ V -
9 Tỷ số nén  15 0,5
Góc đóng mở Xu páp
Độ
10 - Xu páp nạp
(GQTK)
+ Mở trước ĐCT 1 20 3

40
+ Đóng sau ĐCD 2 48 3
- Xu páp thải
+ Mở trước ĐCD 4 48 3
+ Đóng sau ĐCT 5 20 3
Số xu páp cho một xi lanh - 4
11 - Xu páp nạp 2 Cái
- Xu páp thải 2
Đường kính tán xu páp
12 - Xu páp nạp 54 mm
- Xu páp thải 50
13 Số lỗ phun của vòi phun ivp 7 -
14 Đường kính lỗ phun d 0,25 mm
Lượng nhiên liệu cung cấp
15 cho một chu trình ứng với gct 138,90 mg/ct
chế độ định mức.
16 Nhiệt độ nhiên liệu Tnl 320 K
17 Góc phun sớm nhiên liệu  3033
Độ
(GQTK)
18 Áp suất môi trường p0 0,98 bar
19 Nhiệt độ môi trường T0 298 K
20 Mô hình cháy - DI-Jet -
21 Mô hình truyền nhiệt - Hohenberg -
Hành trình nâng xu páp
22 nạp theo góc quay trục
(m
m)
14
12
xu
páp
10
khuỷu 8
6
n
â
n
g
4
Hành trình nâng xu páp
2
Đ
ộ
0
23 thải theo góc quay trục
0 100 200 300 400 500 600
Độ (GQTK)
khuỷu

Ảnh hưởng của b10, e10 và m10 tới trạng thái nhiệt của ống lót xi lanh động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel.doc

Ảnh hưởng của b10, e10 và m10 tới trạng thái nhiệt của ống lót xi lanh động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel.doc

Recommended

Recommended

More Related Content

Similar to Ảnh hưởng của b10, e10 và m10 tới trạng thái nhiệt của ống lót xi lanh động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel.doc

Similar to Ảnh hưởng của b10, e10 và m10 tới trạng thái nhiệt của ống lót xi lanh động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel.doc (11)

More from Dịch vụ viết thuê đề tài trọn gói ☎☎☎ Liên hệ ZALO/TELE: 0973.287.149 👍👍

More from Dịch vụ viết thuê đề tài trọn gói ☎☎☎ Liên hệ ZALO/TELE: 0973.287.149 👍👍 (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Ảnh hưởng của b10, e10 và m10 tới trạng thái nhiệt của ống lót xi lanh động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel.doc