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

Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 57 (04/2020) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
69 
NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA KIM PHUN 
ĐẾN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ DIESEL 
THE EFFECT OF INJECTOR NOZZLE HOLES 
ON DIESEL ENGINE PERFORMANCE 
Đinh Tấn Ngọc, Đỗ Văn Dũng 
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, Việt Nam 
Ngày toà soạn nhận bài 22/10/2019, ngày phản biện đánh giá 15/11/2019, ngày chấp nhận đăng 2/3/2020. 
TÓM TẮT 
Hiện nay, động cơ Diesel còn được sử dụng khá nhiều đặc biệt là trong lĩnh vực vận tải 
và hàng hải. Tuy nhiên để tối ưu công suất, giảm suất tiêu hao nhiên liệu và giảm ô nhiễm thì 
cần cải tiến thêm. Trong bài báo này tác giả dùng phần mềm AVL – FIRE để nghiên cứu sự 
ảnh hưởng của kim phun nhiên liệu trong buồng đốt thống nhất, cụ thể là đường kính lỗ tia 
phun đến: công suất, moment cũng như khí thải trên động cơ Diesel (động cơ Diesel Kia JD – 
K3500). Kết quả mô phỏng cho ta thấy được với đường kính d=0,16mm thì công suất và 
moment tốt nhất và ngược lại với d=0.2mm cho ra khí thải tốt nhất. Kết quả nghiên cứu trên 
làm cơ sở tìm ra những biện pháp cải tiến kim phun nhiên liệu, nâng cao hiệu suất và giảm 
khí thải động cơ Diesel. 
Từ khoá: Đường kính lỗ tia phun; công suất; mô phỏng; AVL – FIRE; động cơ Kia JD – K3500. 
ABSTRACT 
Nowadays, Diesel engines are so popular, especially in the field of transportation and 
marine. However, in order to increase power, reduce consumption and emission, further 
improvement is necessary. In this research, AVL - FIRE software was used to study the effect 
of injectors to the combustion chamber, the injection hole diameter related to: power, torque 
as well as exhaust gas on Diesel engine (Kia JD - K3500 Diesel engine). The results show 
that with d = 0.16mm, the best power, low fuel consumption but high emissions. And 
d=0.2mm, the lowest emission. The results of this research improve fuel injectors and diesel 
engine performance. 
Keywords: nozzle diameter; power; simulation; AVL - FIRE; Kia JD - K3500 engine. 
1. GIỚI THIỆU 
Từ khi ra đời đến nay động cơ Diesel 
không ngừng được cải tiến và phát triển để 
đáp ứng nhu cầu thị trường. Tuy nhiên vẫn 
còn tồn đọng một số vấn đề khó khăn trong 
việc nâng cao được công suất động cơ và 
giảm lượng khí thải. Động cơ Diesel hoạt 
động ở tốc độ cao đòi hỏi việc nguyên tử hóa 
nhiên liệu - xảy ra chủ yếu do xâm thực và 
nhiễu loạn trong vùng lân cận của vòi phun 
phải thích hợp trong buồng đốt với thời gian 
cực ngắn. Một số thông số quan trọng bao 
gồm kích thước lỗ tia phun, xâm thực, độ côn 
của chùm tia, vận tốc nhiên liệu, mật độ 
không khí mà nhiên liệu được bơm vào ảnh 
hưởng đến việc tăng cường nguyên tử hóa 
nhiên liệu [1]. Để nghiên cứu ảnh hưởng của 
thời gian phun đến đặc tính quá trình cháy và 
khí thải trên động cơ Diesel, tác giả Nguyễn 
Văn Tổng Em và Nguyễn Lê Duy Khải đã sử 
dụng phần mềm mô phỏng KIVA-3V thay đổi 
thời gian phun từ 6° đến 12° góc quay trục 
khuỷu (CA) trong khi đó giữ nguyên thời 
điểm phun để đánh giá sự tác động đến công 
suất, suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải bồ 
hóng cũng như NOx trong khí thải động cơ 
Diesel RV125-2. Kết quả chỉ ra rằng công 
suất của động cơ đạt giá trị lớn nhất, đồng thời 
bồ hóng và NOx giảm đáng kể khi thời gian 
70 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 57 (04/2020) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
phun nằm trong khoảng từ 6° đến 9° CA [2]. 
Bên cạnh đó, tác giả Trần Quang Vinh cũng 
mô phỏng quá trình phun nhiên liệu và quá 
trình cháy trong động cơ D1146TIS sử dụng 
phần mềm CFD AVL-Fire để đánh giá quá 
trình cháy bên trong động cơ [3]. Ngoài ra, 
với nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước hạt 
nhiên liệu, nồng độ nhiên liệu và tốc độ phun 
nhiên liệu vào buồng đốt của tác giả Rohit 
Sharma, Rana Ranjit Singh và Shailendra 
Kumar Vishwaka cho kết quả các lỗ tia phun 
nhiên liệu nhỏ hơn có kích thước giọt nhỏ 
hơn, thậm chí khi giảm áp suất phun sự 
nguyên tử hóa nhiên liệu vẫn tốt hơn, bay hơi 
nhanh hơn và trộn tốt hơn [4]. Với nghiên cứu 
của Dr. Hiregoudar Yerrennagoudaru, Kullaya 
Swamy K góc nhiên liệu với các hướng phun 
khác nhau có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất 
động cơ cũng như khí thải [5]. 
2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 
Quá trình hòa trộn hỗn hợp trong lòng 
xy lanh là một quá trình rối loạn giữa không 
khí có áp suất cao và nhiên liệu có động năng 
lớn ở dạng sương trong thời gian rất ngắn từ 
1,6 đến 60 𝜇s. Quá trình cháy và các thông số 
của quá trình cháy phụ thuộc rất nhiều vào 
chất lượng và thời gian chuẩn bị hỗn hợp 
nhiên liệu. Kim phun nhiên liệu ảnh hưởng 
rất lớn đối với hiệu suất và khí thải của động 
cơ diesel. Một trong những vấn đề khó khăn 
nhất gặp phải trong quá trình phát triển động 
cơ Diesel hoạt động ở tốc độ cao là phải 
nguyên tử hóa nhiên liệu thích hợp trong 
buồng đốt trong thời gian cực ngắn. Một số 
thông số quan trọng bao gồm kích thước lỗ 
tia phun, xâm thực, độ côn của chùm tia, vận 
tốc nhiên liệu, mật độ không khí mà nhiên 
liệu được bơm vào ảnh hưởng đến việc tăng 
cường nguyên tử hóa nhiên liệu. Kết quả thử 
nghiệm cho thấy rằng lỗ có đường kính đầu 
ra nhỏ hơn làm tăng hệ số phun đến phạm vi 
nhất định gây ra sự gia tăng quá trình nguyên 
tử hóa nhiên liệu. 
Quá trình phun nhiên liệu ảnh hưởng rất 
nhiều đến công suất của động cơ, tuy nhiên 
trong quá trình phun không thể tránh khỏi 
hiện tượng xâm thực, nó làm giảm hiệu suất 
phun và làm xói mòn kim phun [6]. 
Hình 1 . Tổng quan về các quá trình xảy ra 
trong kim phun nhiên liệu [6] 
Khi nhiên liệu đi vào của lỗ tia phun, sẽ 
hình thành một vùng áp suất thấp. Và khi điều 
này xảy ra tuần hoàn nó sẽ làm giảm diện tích 
nhiên liệu đi vào, nơi đó được gọi là “vena 
contracta” (đường kính dòng nhỏ nhất) [6]. 
Hình 2. Vị trí xảy ra xâm thực trong kim 
phun nhiên liệu [6] 
Thông lượng khối ṁf và động lượng 
Ṁf qua lỗ kim phun có thể được xác định 
thông qua vận tốc u, mật độ ρ và diện tích 
dòng A: 
ṁf = ∫ u. ρ. dA
Ageo
 (1) 
Ṁf = ∫ u
2. ρ. dA
Ageo
 (2) 
Một hệ số Ca được xác định để liên kết 
diện tích lỗ tia phun thực tế với diện tích lỗ 
tia phun toàn phần mà không có lớp biên. 
Ca =
A.ρ
Ageo.ρ1
 (3) 
Trong đó A và ρ là các giá trị cho trường 
hợp thực tế và Ageo và ρl là các giá trị lý 
tưởng không có lớp biên. 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 57 (04/2020) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
71 
Hình 3. Hiện tượng xâm thực xảy ra trong lỗ 
tia phun nhiên liệu [6] 
Khu vực có diện tích nhỏ nhất (tại ‘’vena 
Contracta’’) được đánh dấu là c trong hình 4 
theo đinh nghĩa Nurick [6]. Hệ số co Cc được 
xác định như sau: 
Cc = 
Ac
Ageo
 (4) 
Trong đó Ac là diện tích lỗ tia phun tại 
vị trí c trong hình 4 và Ageo là diện tích lỗ 
tia phun lý thuyết. Vận tốc thực tế hoặc có 
ích qua lỗ kim phun được xác định bằng cách 
sử dụng thông lượng khối và động lượng: 
uef =
Ṁf
ṁf
 (5) 
Vận tốc tổn thất lý thuyết được tính từ 
phương trình Bernoulli: 
uth = √
2∆P
ρ1
 (6) 
Hệ số vận tốc Cv được định nghĩa là tỉ 
số giữa vận tốc có ích và lý thuyết: 
Cv =
uef
uth
 (7) 
Cường độ của xâm thực được gọi là số 
xâm thực. Điều này có thể được định nghĩa 
theo nhiều cách. Số xâm thực được định 
nghĩa theo Nurick là: 
K =
P1−Pvapor
P1−P2
 (8) 
Trong đó P là áp suất, số 1 là đầu vào lỗ 
tia phun và 2 là đầu ra lỗ tia phun, Pvapor là 
áp suất hơi của nhiên liệu. 
Trong một vòi phun, hệ số phun Cd là tỉ 
lệ của lưu lượng thực tế với lưu lượng lý 
thuyết. Hệ số phun Cd được tính bằng các 
phương trình hiện tượng. Ngoài các điều kiện 
như lưu lượng dòng chảy, các đặc điểm hình 
học của lưu lượng vòi phun, thì bán kính đầu 
vào lỗ tia phun và tỉ lệ chiều dài với đường 
kính của lỗ vòi phun cũng ảnh hưởng đến hệ 
số phun Cd. Được xác định thông qua các 
tham số đầu vào C1 và C2. Bằng cách này, ta 
có thể ước tính áp suất đầu vào p1 cho dòng 
chảy rối như sau: 
p1 = p2 + 
ρ
2
∙ (
Ugeo
Cd
)2 (9) 
3. THIẾT LẬP MÔ PHỎNG 
Việc nghiên cứu ảnh hưởng của đường 
kính lỗ tia phun đến công suất động cơ 
Diesel Kia - JD K3500 được thực hiện bằng 
phần mềm AVL Fire [7]. Đây là phần mềm 
được xây dựng trên nền tảng là các mô hình 
toán mô phỏng các quá trình mà lý thuyết 
CFD quan tâm giải quyết, đặc biệt trong lĩnh 
vực động cơ đốt trong như quá trình cháy, 
quá trình phun nhiên liệu, quá trình truyền 
nhiệt, chuyển động của các phân tử, các phản 
ứng hóa học xảy ra trong quá trình trao đổi 
chất, xử lý khí thải (after-treatment), Đối 
với mỗi bài toán cụ thể, Fire đều có rất nhiều 
mô hình toán hiện đại với mức độ phức tạp 
cũng như quan điểm tính toán khác nhau 
giúp người dùng có thể lựa chọn phương án 
hợp lý nhất đối với bài toán của mình. Công 
cụ tính toán mô phỏng động cơ Diesel (ESE 
Diesel) của AVL Fire có giao diện tương đối 
đơn giản và dễ sử dụng nhưng vẫn đảm bảo 
kết quả tính toán tin cậy và chính xác [7]. 
3.1 Tạo lưới và thông số mô phỏng 
Bảng 1. Trình bày các thông số chính của 
động cơ Diesel Kia - JD K3500 [8]. 
Thông số Giá trị 
Nhiên liệu Diesel 
Số xy lanh 4 
Đường kính x Hành trình 
piston (mm) 
98 x 104 
Dung tích (cc) 3455 
Tỉ số nén 22 
Số lượng xú páp 8 
72 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 57 (04/2020) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
Kiểu xy lanh Ướt 
Thời điểm phối khí 
Góc mở sớm xupap nạp (0) 120 
Góc đóng muộn xupap nạp (0) 400 
Góc mở sớm xupap thải (0) 500 
Góc đóng muộn xupap thải (0) 120 
Kim phun 
Kiểu kim phun Đa lỗ tia 
Số lỗ tia x đường kính (mm) 4 x 0,182 
Hình 4. Sơ đồ tiến hành thực nghiệm 
Hình 5. Biên dạng thiết kế piston của động 
cơ Kia - JD K3500 sau khi thiết lập 
Hình 6. Phần được chia lưới mô phỏng đối 
với kim phun có 4 lỗ tia phun 
Hình 7. Thiết lập các thông số của động cơ 
Hình 8. Thông số hình dạng của piston động 
cơ Kia - JD K3500 
 Hình 9. Thông số hình dạng của kim phun 
động cơ Kia - JD K3500 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 57 (04/2020) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
73 
Hình 10. Mô hình lưới piston dộng cơ Kia - 
JD K3500 
3.2 Thiết lập các tham số mô hình hóa 
(Simulation Parameters) 
Hình 11. Thiết lập chế độ mô phỏng 
Hình 12. Thiết lập các mô đun tính toán 
Sau khi thiết lập các thông số ta tiến 
hành thực hiện chạy mô phỏng, thời gian 
trung bình hoàn tất một lần mô phỏng là 
khoảng 4 giờ trên máy vi tính trang bị vi xử 
lý Core i5 - 4500U. 
4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 
Thực hiện quá trình mô phỏng, tốc độ 
động cơ thay đổi từ 600 đến 5000 
(vòng/phút) tương ứng với 5 đường kính lỗ 
tia khác nhau là D1=0,16mm; D2=0,17mm; 
D3=0,18mm D4=0,19mm; D5=0,2mm cho 
mỗi tốc độ động cơ. 
Ở hình 12 thể hiện đồ thị công suất – 
moment động cơ tại các tốc độ theo các 
đường kính lỗ tia phun khác nhau. Với 
đường kính D=0,2mm công suất và momen 
rất thấp nhất tại tốc độ thấp, trước khi vận tốc 
động cơ đạt 2000 vòng/phút thì với đường 
kính càng nhỏ thì công suất và moment càng 
thấp. Khi qua thời điểm tốc độ 1800 
vòng/phút thì đường kính càng nhỏ thì cho 
công suất và moment xoắn càng cao, và vận 
tốc càng cao thì chênh lệch càng rõ. 
Hình 13. Sự ảnh hưởng của đường kính lỗ 
tia phun đến công suất và moment động cơ 
 - Tốc độ động cơ từ 4000 (vòng/phút): 
• Công suất giảm lần lượt là D1, D2, D3, 
D4, D5 : 2,44% ; 2,42% ; 2,63% ; 2,95%. 
• Moment giảm lần lượt là D1, D2, D3, 
D4, D5 : 2,36% ; 2,24% ; 2,32% ; 2,58%. 
Hình 14. Sự ảnh hưởng của đường kính lỗ 
tia phun đến suất tiêu hao nhiên liệu 
74 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 57 (04/2020) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
Tại vận tốc trước 1800 vòng/phút. Suất 
tiêu hao nhiên liệu càng cao với đường kính 
càng nhỏ, và sau 1800 thì đường kính càng 
nhỏ thì suất tiêu hao càng ít. Tại tốc độ 
động cơ 4200 (vòng phút) suất tiêu hao nhiên 
liệu tăng lần lượt là D1, D2, D3, D4, D5: 
2,59% ; 2,52% ; 2,76% ; 3,11%. 
Hình 15. Sự ảnh hưởng của đường kính lỗ 
tia phun đến phát thải NOx 
Lượng NOx sinh ra có xu hướng giảm 
khi tốc độ động cơ càng cao (ngoại trừ 
D=0,2). Và đường kính càng nhỏ thì lượng 
NOx sinh ra càng lớn. Việc giảm đường kính 
lỗ tia phun sẽ làm gia tăng lượng NOx sinh 
ra. Nhưng với đường kính lỗ tia phun D5 tại 
lúc này không còn hiện tượng nhỏ giọt như 
tại vận tốc 600 vòng/phút. Lượng NOx sinh 
ra với đường kính lỗ tia phun D5, D4, D3, 
D2, D1 tăng lần lượt là 5,35% ; 8.19% ; 
8.95% ; 12,98%. Theo đồ thị, cùng một 
đường kính lỗ tia phun, lượng NOx sinh ra 
tại vận tốc 1200 vòng/phút giảm so với lượng 
NOx sinh ra tại vận tốc 600 vòng/phút. Riêng 
đường kính lỗ tia phun D5 do tại vẫn tốc 600 
vòng/phút bị nhỏ giọt sinh ra lượng NOx quá 
nhỏ nên so với vận tốc 1200 vòng/phút thì 
lượng NOx sinh ra không giảm mà lại tăng 
lên đến 89,29%. 
Hình 16. Sự ảnh hưởng của đường kính lỗ 
tia phun đến phát thải muội than 
Về muội than ta có thể thấy ở tốc độ 
trước 3000 vòng / phút (ngoài trừ D= 
0,2mm) thì đường kính càng nhỏ thì lượng 
muội than sinh ra càng nhỏ. Và ngược lại ở 
tốc độ cao, đường kính lỗ tia phun càng nhỏ 
thì muội than sinh ra càng lớn. 
Hình 17. Biểu đồ so sánh các đặc tính ngoài 
động cơ tại vận tốc 1800(vòng/phút) 
Tại tốc độ động cơ 1800 (vòng/phút), xét 
về mặt công suất, moment và suất tiêu hao 
nhiên liệu của các đường kính lỗ tia phun 
khác nhau cho giá trị gần bằng nhau. Xét về 
mặt phát thải NOx thì với đường kính D5 cho 
phát thải nhỏ nhất so với các đường kính còn 
lại, đường kính càng giảm thì lượng phát thải 
NOx càng tăng lên. Xét về mặt phát thải 
muội than thì với đường kính D1 cho phát 
thải nhỏ nhất so với các đường kính còn lại, 
đường kính càng tăng thì lượng phát thải 
muội than càng tăng lên. 
Hình 18. Biểu đồ so sánh các đặc tính ngoài 
động cơ tại vận tốc 3000(vòng/phút) 
Tại tốc độ động cơ 3000 (vòng/phút), xét 
về mặt công suất, moment và suất tiêu hao 
nhiên liệu của các đường kính lỗ tia phun 
khác nhau cho thấy sự chênh lệch rõ ràng. 
Với đường kính lỗ tia phun càng nhỏ thì càng 
công suất, moment càng tăng và suất tiêu hao 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 57 (04/2020) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
75 
nhiên liệu càng giảm. Xét về mặt phát thải 
NOx thì với đường kính D5 cho phát thải nhỏ 
nhất so với các đường kính còn lại. Và với 
đường kính càng giảm thì lượng phát thải 
NOx càng tăng lên. Tương tự như phát thải 
NOx, về mặt phát thải muội than thì với 
đường kính D5 cũng cho phát thải nhỏ nhất 
so với các đường kính còn lại. Và với đường 
kính càng giảm thì lượng phát thải NOx càng 
tăng lên. 
Hình 19. Biểu đồ so sánh các đặc tính ngoài 
động cơ tại vận tốc 4200(vòng/phút) 
Tại tốc độ động cơ 4200 (vòng/phút), xét 
về mặt công suất, moment và suất tiêu hao 
nhiên liệu của các đường kính lỗ tia phun 
khác nhau càng cho thấy sự chênh lệch rõ 
ràng hơn so với các tốc độ thấp hơn. Với 
đường kính lỗ tia phun càng nhỏ thì càng công 
suất, moment càng tăng và suất tiêu hao nhiên 
liệu càng giảm. Xét về mặt phát thải NOx thì 
với đường kính D5 cho phát thải nhỏ nhất so 
với các đường kính còn lại. Và với đường 
kính càng giảm thì lượng phát thải NOx càng 
tăng lên. Tương tự như phát thải NOx, về mặt 
phát thải muội than thì với đường kính D5 
cũng cho phát thải nhỏ nhất so với các đường 
kính còn lại. Và với đường kính càng giảm thì 
lượng phát thải NOx càng tăng lên. 
5. KẾT LUẬN 
 Nhìn chung, qua kết quả mô phỏng ta 
thấy với đường kính nhỏ cho công suất và 
moment lớn, tiêu hao nhiên liệu nhỏ. Tuy 
nhiên, ở đường kính nhỏ thì cho lượng khí xả 
NOx và muội than lớn. Ngược lại, đường 
kính lỗ tia lớn cho khí xả thấp. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Phạm Đình Thọ, Nghiên cứu quá trình phun nhiên liệu trong động cơ Diesel, 2006. 
[2] Trần Quang Vinh, Mô phỏng quá trình phun nhiên liệu và quá trình cháy trong động cơ 
D1146TiS sử dụng phần mềm CFD AVL-FIRE, Đại học Bách khoa Hà Nội, 2007. 
[3] Nguyen Le Duy Khai Nguyen Van Tong Em, A Study on the Effects of Duration of 
Injection on Emissions and Combustion Characteristics in a Direct Injection Diesel 
Engine. Science Technology Development Journal, 17(4): p. 67-76, 2014. 
[4] Rohit Sharma, Rana Ranjit Singh “Experimental study of the Effect of Fuel Injector 
nozzle holes on Direct Injection Diesel Engine”. 
[5] Dr. Hiregoudar Yerrennagoudaru, Kullaya Swamy K B, “Effect of Nozzle Holes and 
Turbulent Injection on Diesel Engine Performance”. 
[6] Design of Direct Injection Fuel Injector Nozzle. 
[7] www.avl.com. 
[8]  
[9] Effect of Fuel injection pressure and Injection timing on fuel pray, engine performance, 
emission. 
[10] Abdul Rahim Ismail, Effect of injector nozzle holes on diesel engine performance, p. 83, 2010. 
Tác giả chịu trách nhiệm bài viết: 
Đinh Tấn Ngọc 
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM 
Email: ngocdt@hcmute.edu.vn