Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu ảnh hưởng của B10, E10 và M10 tới trạng thái nhiệt của ống lót xi lanh động cơ lưỡng nhiên liệu cồn

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 2018

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

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

KẾT LUẬN CHUNG ............................................................................................... 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 65

PHỤ LỤC ................................................................................................................. 68

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Diễn giải Ký hiệu

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

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

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

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.

* 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

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

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]:

- 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

(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)

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.

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

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.

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 -1270C trong điều kiện áp suất môi trường

và ở nhiệt độ -1610C 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 ÷ 400C. 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 200C, và khoảng 22 bar đối với C3H8 tại 550C. Thông

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 -2350C 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

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

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

(thấp hơn khoảng 400 0C đối với gang và 300 0C đối với hợp kim nhôm). Bề mặt

gương xi lanh phải được giữ thấp hơn 180 0C 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]:

[W/m2] q = - VL.gradT = - VL.

[W] Q = q.F = - VL.F.

Dòng nhiệt tỉ lệ với gradient nhiệt độ và diện tích bề mặt đẳng nhiệt.

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) = = + +

trong đó:

- véc tơ đơn vị trên phương pháp tuyến;

, , - 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

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:

[W] Q = .F.△T

Dòng nhiệt riêng:

q = [W/m2] = .△T

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 [0C] - 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:

q = - VL.

Từ các biểu thức trên ta nhận được:

 = -

Khi biến thiên nhiệt độ chỉ theo hướng y vuông góc với bề mặt của vật

phương trình có dạng:

 = -

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

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.

Hình 1.3. Sơ đồ phân bố nhiệt độ và dòng nhiệt

Buồng cháy

Thành xi lanh

Số Nusselt

Lớp biên

nhiệt

Số Reynolds

Lớp biên

thủy lực

Số Prandtl.

ngang thành vách buồng cháy

Hình 1.4. Sơ đồ truyền nhiệt đối lưu tới thành buồng cháy, [2]

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

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

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.

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)…

Các ứng dụng chính của GT-Power:

- 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;

- 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.

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,…

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,…

- 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,…

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.

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, …

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.

- 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.

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

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

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]:

-0.4(Cm + C2)0.8

(2.1)  = C1V-0.06p0.8Tg

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 = - 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.

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

Mô hình Woschni.

[W/m2.K]

Mô hình Hohenberg

[độ GQTK]

sự cải tiến trong những hạn chế của mô hình Woschni như trình bày trên hình 2.9.

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

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

Điều kiện biên Exhaust- 2 24 môi trường, dòng Áp suất, nhiệt độ môi trường ra.... Env ra

Thể tích, độ nhám bề mặt, nhiệt độ Mô tả chỗ dòng 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

có mặt cách mặt, nhiệt độ thành, trạng thái 4 PR_In 10 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,

Mô tả các đoạn chiều dài rời rạc hóa (để tính toán), 6 intport 24 ống nạp nhám bề mặt, nhiệt độ thành, các

yếu tố truyền nhiệt.

Mô tả các đoạn 7 exhport 24 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....

Mô tả Xu páp Như trên 9 exhvalve 24 thải

Lượng nhiên liệu cấp cho 1 chu

trình, góc phun sớm nhiên liệu,

quy luật phun, áp suất phun, nhiệt 10 Inject 12 Mô tả vòi phun độ nhiên liệu, đường kính lỗ phun,

số lỗ phun, hệ số lưu lượng qua lỗ

phun....

Các thông số kích thức hình học, Mô tả phần tử xi 11 Cyl 12 mô hình cháy, mô hình truyền lanh nhiệt....

Số xi lanh, bố trí, chế độ tính toán

động cơ, tổn hao cơ giới, mô men Mô tả phần còn 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.

Thứ tự làm việc của các xi 1T-6P-5T-2P-3T-4P-6T-1P-2T-5P-4T-3P 3 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 - Xu páp nạp 10 (GQTK) + Mở trước ĐCT 20 3 1

+ Đóng sau ĐCD 48 3 2

- Xu páp thải

+ Mở trước ĐCD 48 3 4

+ Đóng sau ĐCT 20 3 5

- 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 7 - ivp

d 14 Đường kính lỗ phun 0,25 mm

Lượng nhiên liệu cung cấp

15 cho một chu trình ứng với 138,90 mg/ct gct

chế độ định mức.

16 Nhiệt độ nhiên liệu 320 K Tnl

Độ 17 Góc phun sớm nhiên liệu 3033  (GQTK)

18 Áp suất môi trường 0,98 bar p0

19 Nhiệt độ môi trường 298 K T0

20 Mô hình cháy DI-Jet - -

- - 21 Mô hình truyền nhiệt Hohenberg

Hành trình nâng xu páp

22 nạp theo góc quay trục

khuỷu

Hành trình nâng xu páp

23 thải theo góc quay trục

khuỷu

 Phần tử điều kiện biên môi trường tính toán

Bảng 2.3. Các thông số điều kiện môi trường tính toán

TT Thông số Giá trị Đơn vị

1 Áp suất môi trường xung quanh 103000 Pa

2 Nhiệt độ môi trường xung quanh 297 [K]

3 Tỷ lệ A/F 14,7 -

4 Thành phần môi chất Không khí -

2.4. Chạy mô hình (Run Simulation)

Sau khi nhập xong dữ liệu cho các phần tử trong mô hình, bước tiếp theo

tiến hành chạy mô hình. Thời gian chạy mô hình tùy thuộc theo số phần tử có

trong mô hình, bước đặt ở phần điều khiển chung và các yêu cầu kết quả tính toán

cần quan tâm cũng như mô hình cháy được lựa chọn. Sau khi chạy mô hình xong

kết quả có thể đưa ra ở dạng bảng hoặc đồ thị và được lưu lại trong tệp kết quả có

dạng *.gdx

2.5. Kết luận chương 2

- Chương 2 đã giới thiệu khái quát phần mềm GT-Power nằm trong bộ phần

mềm GT-Suite, sản phẩm của hãng Gama Technologies. Giới thiệu thư viện các

phần tử của GT-Power được sử dụng để xây dựng mô hình tính toán động cơ V12

nhằm tính toán các chỉ tiêu của chu trình công tác làm thông số đầu vào cho các

mục đích tiếp theo.

- Nhập xong dữ liệu tính toán cho các phần tử;

- Kết nối các phần tử để tạo thành mô hình động cơ cần mô phỏng;

- Thiết lập xong “Run Setup” để chạy mô hình mô phỏng.

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ V12

VÀ TRẠNG THÁI NHIỆT ỐNG LÓT XILANH

THEO CÁC LOẠI NHIÊN LIỆU KHẢO SÁT

3.1. Kết quả tính toán các chỉ tiêu công tác của động cơ V12

Các ký hiệu và chữ viết tắt biểu thị trên các kết quả:

+ Pressure: Áp suất, [bar];

+ Temperature: Nhiệt độ, [K];

+ BDC: Điểm chết dưới;

+ TDC: Điểm chết trên;

+ COMPR: Kỳ nén;

+ POWER: Kỳ cháy - giãn nở;

+ EXHAUST: Kỳ thải;

+ INTAKE: Kỳ nạp;

+ Crank Angle: Góc quay trục khuỷu, [độ];

+ HTR Coeficient: hệ số truyền nhiệt, [W/m2.K];

+ Heat Transfer Rate: Tốc độ truyền nhiệt, [kW];

+ Pressure Ratio: Tỷ số áp suất;

+ Mass Flow Rate: Lưu lượng khối lượng, [kg/s];

+ Brake Power: Công suất có ích, (kW hoặc HP: mã lực);

+ Brake Torque: Mô men xoắn có ích, [N.m];

+ IMEP: Áp suất chỉ thị trung bình, [bar];

+ FMEP: Áp suất tổn thất ma sát trung bình, [bar];

+ BSFC: Suất tiêu hao nhiên liệu có ích, [g/kW.h];

+ A/F ratio: Tỷ số không khí/nhiên liệu;

+ Brake Efficiency: Hiệu suất có ích, [%].

Để làm cơ sở đánh giá động cơ V12 đồng thời hiệu chỉnh mô hình động cơ

V12 theo các số liệu đã chọn cho độ chính xác. Kết quả tính toán các thông số

nhiệt động động cơ V12 cụ thể như sau:

- Kết quả tính các chỉ tiêu công tác và chu trình công tác của động cơ V12

tại chế độ định mức được trình bày trên các bảng 3.1.

Bảng 3.1. Kết quả tính toán các chỉ tiêu công tác của động cơ V12

STT Thông số Giá trị

1 Brake Power [kW] Công suất có ích 388

2 Brake Power [HP] Công suất có ích 521

3 Brake Torque [N.m] Mô men xoắn có ích 1850

4 IMEP [bar] Áp suất chỉ thị trung bình 8,39

5 Air Flow Rate [kg/hr] Lưu lượng khí nạp 2430

6 BSAC [g/kW.h] Suất tiêu hao không khí có ích 6260

7 Fuel Flow Rate [kg/hr] Lưu lượng nhiên liệu 100

8 BSFC [g/kW.h] Suất tiêu hao nhiên liệu có ích 258

9 A/F Ratio Tỉ lệ không khí/nhiên liệu 24,3

1,69 10 Hệ số dư lượng không khí 

11 Brake Efficiency [%] Hiệu suất có ích 32,5

Để hiệu chỉnh mô hình mô phỏng ta sử dụng đặc tính ngoài của nhà sản

xuất để hiệu chỉnh.

- Kết quả tính toán và so sánh với số liệu của nhà sản xuất theo đặc tính

ngoài động cơ V12 trong vùng làm việc (n = 1200  2000 [v/ph]) được trình bày

trên bảng 3.2 và trên hình 3.1.

Bảng 3.2. Kết quả tính toán và so sánh với số liệu của nhà sản xuất

theo đặc tính ngoài động cơ V12 [30]

Tốc độ Sai số tương Sai số tương quay trục Me-NSX Me-TT Gnl-NSX Gnl-TT đối Gnl đối Me khuỷu - n [N.m] [N.m] [kg/h] [kg/h] [%] [%] [v/ph]

2158,20 2310 67,20 67,80 0,89 7,03 1200

2118,96 2260 75,00 78,10 4,13 6,66 1400

2060,10 2160 82,00 87,10 6,22 4,85 1600

1962,00 2040 88,50 95,00 3,98 1800 7,34

1814,85 1850 96,00 100,00 4,17 1,94 2000

Hình 3.1. Kết quả tính toán Me, Gnl và so sánh với số liệu của nhà sản xuất

theo đặc tính ngoài của động cơ V12, [30]

Từ kết quả mô phỏng động cơ V12 trên bảng 3.2 và trên hình 3.1 có thể thấy

rằng: kết quả mô phỏng chu trình công tác động cơ V12 là khá phù hợp với tài

liệu giới thiệu động cơ V12 [30]. Việc xây dựng mô hình mô phỏng động cơ V12

bằng phần mềm GT-Power cho độ chính xác và tin cậy cao. Vì vậy có thể sử dụng

mô hình này để tiến hành tính toán các thông số nhiệt động của động cơ theo các

loại nhiên liệu khác nhau, để đánh giá ảnh hưởng của các loại nhiên liệu D100,

B10, E10 và M10 đến các chỉ tiêu công tác của động cơ, từ đó làm thông số đầu

vào để tính toán trạng thái nhiệt của ống lót xi lanh.

Các tính chất cơ bản của nhiên liệu D100, B10, E10 và M10 được giới thiệu

trên bảng 3.3.

Bảng 3.3. Một số tính chất cơ bản của D100, B10, E10 và M10 [25], [29]

TT Thông số D100 B10 E10 M10

1 Khối lượng riêng, [kg/m3] 831,5 829,3 827 827,4

2 Nhiệt độ chớp cháy, [0C] 70 23 21 20

3 Độ nhớt động lực, [mm2/s] 2,4 2,6 2,2 2,1

4 Nhiệt trị thấp, [MJ/kg] 43,2 41,7 41,2 40,4

5 Số xê tan 58,8 55,6 53,4 52,1

6 Thành phần C, [wt%] 86,6 84,4 83,2 81,7

7 Thành phần Oxy, [wt%] 0 2,2 3,5 5

8 Thành phần Hydro, [wt%] 13,4 13,4 13,3 13,3

Kết quả tính toán các chỉ tiêu công tác của động cơ theo các loại nhiên liệu

khảo sát được trình bày trên bảng 3.4.

Bảng 3.4. Các chỉ tiêu công tác của động cơ V12

khi sử dụng nhiên liệu D100, B10, E10 và M10

TT Thông số D100 B10 E10 M10

1 Công suất có ích, [kW] 388,2 372,1 367,0 358,2

2 Mô men xoắn có ích, [N.m] 1853,3 1776,6 1752,5 1710,4

Suất tiêu hao nhiên liệu có ích, 3 257,7 268,8 272,5 279,2 BSFC [g/kW.h]

4 Áp suất môi chất cực đại, [bar] 84,07 89,36 88,81 87,85

Tốc độ tăng áp suất trung bình, 5 3,193 3,574 3,518 3,465 [bar/độ. GQTK]

6 Nhiệt độ môi chất cực đại, [K] 2023 2065 2099 2045

1274,01 1455,06 1534,83 1608,98 7 NOx, [ppm]

8 HC, [ppm] 0,63 0,52 0,49 0,45

9 CO, [ppm] 3,01 2,22 1,91 1,63

84093,30 69912,10 62906,20 55947,90 10 CO2, [ppm]

Nhận xét: Khi sử dụng B10, E10 và M10 cho động cơ V12 ta nhận thấy:

- Công suất có ích của động cơ có sự sụt giảm nhẹ, chẳng hạn khi sử dụng B10 là

4%, E10 là 5,5% và M10 là 7,7%. Tuy nhiên, suất tiêu hao nhiên liệu có chiều

hướng tăng lên khi thêm alcohol lần lượt là 4,3%, 5,7% và 8,3%; điều này là do

nhiệt trị của các nhiên liệu B10, E10 và M10 thấp hơn so với diesel khoáng.

- Áp suất cực đại của hỗn hợp diesel-alcohols là cao hơn so với khi sử dụng diesel

khoáng.

- Khi thêm alcohol vào diesel nền sẽ làm tăng nhẹ hàm lượng phát thải NOx, trong

khi đó gây giảm đáng kể các chất ô nhiễm khác như CO, HC và CO2 (chất gây lên

hiệu ứng nhà kính).

- Qua bảng kết quả trên có thể nhận thấy rằng khi pha thêm alcohol vào nhiên

liệu diesel khoáng sẽ giảm phát thải các chất ô nhiễm từ động cơ trong khi không

ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất và công suất có ích của động cơ. Ngoài ra, khi

pha thêm các alcohol này giúp ta có thể tâp trung xử lý NOx hiệu quả hơn do chất

ô nhiễm dạng hạt PM được giảm đáng kể, sự giảm PM có thể do tỷ lệ không

khí/nhiên liệu (A/F) thấp hơn tại chế độ tải lớn, chính vì vậy lượng ô xy có sẵn

trong nhiên liệu diesel-alcohol sẽ đóng vai trò giảm sự hình thành chất ô nhiễm

PM. Bởi vì chúng ta biết rằng, trong động cơ diesel kiểm soát sự phát thải NOx

và PM đồng thời tại nguồn phát sinh là rất khó khăn. Chính vì vậy, thêm nhiên

liệu có tính ô xi hóa vào nhiên liệu diesel khoáng gần như là một sự lựa chọn tốt

cho động cơ diesel, đặc biệt giảm việc sử dụng các bộ xử lý khí thải đắt tiền sau

nguồn phát sinh.

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

Sau khi chạy xong mô phỏng và khai thác kết quả bằng phần mềm GT-

POST, tiến hành xây dựng trên cùng một đồ thị khi sử dụng 4 loại nhiên liệu

D100, B10, E10 và M10 thu được diễn biến nhiệt độ môi chất công tác và hệ số

truyền nhiệt từ môi chất tới thành vách buồng cháy như trên hình 3.2 và hình 3.3.

Có thể nhận thấy, khi sử dụng nhiên liệu B10, E10 và M10 thì nhiệt độ môi chất

và hệ số truyền nhiệt có sự thay đổi lớn hơn so với khi sử dụng diesel khoáng, tuy

nhiên giá trị thay đổi này tương đối nhỏ đặc biệt đối với hệ số truyền nhiệt gần

như không có sự thay đổi nhiều trong toàn bộ chu trình công tác mà chỉ có sự thay

đổi rõ rệt tại khu vực giá trị cực đại.

Hình 3.2. Diễn biến nhiệt độ môi chất trong xi lanh động cơ khi sử dụng các nhiên liệu D100, B10, E10 và M10

Hình 3.3. Hệ số truyền nhiệt từ môi chất tới thành vách buồng cháy khi sử dụng các nhiên liệu D100, B10, E10 và M10

3.3. Tính toán trường nhiệt độ ống lót xi lanh động cơ V12 khi sử dụng D100,

B10, E10 và M10

3.3.1. Mô hình hình học ống lót xi lanh động cơ V12

Khi động cơ làm việc, đối với ống lót xi lanh động cơ xẩy ra đồng thời các

quá trình trao đổi nhiệt sau:

- Quá trình trao đổi nhiệt đối lưu giữa môi chất công tác với mặt gương xi

lanh.

- Quá trình trao đổi nhiệt bức xạ của khí cháy với mặt gương xi lanh.

- Quá trình trao đổi nhiệt dẫn nhiệt tiếp xúc động giữa xéc măng, thân pít tông

với mặt gương xi lanh.

- Quá trình trao đổi nhiệt dẫn nhiệt giữa lưng ống lót xi lanh với khối thân xi

lanh.

- Quá trình trao đổi nhiệt đối lưu giữa ống lót với nước làm mát.

- Quá trình trao đổi nhiệt đối lưu giữa ống lót với không khí trong các te.

Xi lanh có dạng hình trụ, kết cấu gồm các phần chính như: mặt gương (xi

lanh) tiếp xúc với môi chất công tác, chịu ma sát với xéc măng và phần thân pít

tông. Mặt ngoài xi lanh tiếp xúc trực tiếp với nước làm mát.

Mô hình hình học của ống lót xi lanh động cơ V12 như trên hình 3.4.

Hình 3.4. Mô hình hình học của ống lót xi lanh động cơ V12

Trong mô hình hình học được chia làm nhiều vùng khác nhau tương ứng với

các điều kiện biên cụ thể.

3.3.2. Các giả thiết và điều kiện biên của mô hình tính toán

 Các giả thiết

Sự trao đổi nhiệt trên bề mặt các chi tiết hình thành buồng cháy là quá trình

rất phức tạp và không ổn định. Việc tìm hiểu rõ quá trình đó còn nhiều khó khăn

vì những lý do sau đây:

- Sự không xác định lớp biên của bề mặt buồng cháy gây ra sự thiếu hẳn bức

tranh về dòng chảy của môi chất công tác trong khi nghiên cứu. Cho đến nay vẫn

chưa có nghiên cứu đầy đủ về tính chuyển động của pít tông và các điều kiện tạo

ra dòng chảy trong buồng cháy.

- Sự dao động của thành buồng cháy tạo ra điều kiện đặc biệt của chảy rối

trong thể tích làm việc của động cơ. Nó tăng cường trao đổi nhiệt đồng thời làm

giảm ổn định lớp biên.

- Trao đổi nhiệt trong động cơ được đặc trưng bằng sự có mặt của nguồn

nhiệt do cháy nhiên liệu và sự thay đổi các thông số của môi chất công tác trong

buồng cháy.

- Có nguồn nhiệt ma sát, bản thân dòng nhiệt đó xác định theo quy luật của

nó, không trùng với quy luật trao đổi nhiệt đối lưu. Ngày nay vẫn chưa có biện

pháp tách hai nguồn nhiệt đó ra để nghiên cứu độc lập.

Do sự phức tạp của quá trình trao đổi nhiệt đối lưu trong động cơ đốt trong,

cho đến nay chưa có biện pháp tin cậy nào để xác định hệ số tỏa nhiệt đối lưu. Do

vậy cũng chưa có phương trình tiêu chuẩn đối với động cơ đốt trong.

Ngày nay đại đa số các công trình nghiên cứu trao đổi nhiệt trong động cơ

đốt trong đều nhằm xác định lượng nhiệt tổng mà không phân tích thành các thành

phần. Điều đó được giải thích bởi sự phức tạp của việc xác định các thành phần

trong quá trình trao đổi nhiệt trong động cơ đốt trong [7], [2]. Các giả thiết cụ thể

của mô hình tính toán được đưa ra trong quá trình xác định các điều kiện biên trao

đổi nhiệt của bài toán.

 Các điều kiện biên của mô hình bài toán xác định trường nhiệt độ của xi lanh

động cơ V12

Khi giải bài toán trao đổi nhiệt bên trong xi lanh động cơ người ta thường

thay thế chế độ trao đổi nhiệt không ổn định có chu kỳ của quá trình thực bằng

một số điều kiện ổn định. Các thông số đặc trưng cho các điều kiện này được suy

ra từ điều kiện cân bằng dòng nhiệt cục bộ không ổn định theo thời gian trong quá

trình thực và dòng nhiệt cục bộ trong quá trình giả thiết.

Để tính toán trường nhiệt độ của xi lanh động cơ V12 ta cần xác định các

điều kiện biên cho mô hình tính toán như sau:

* Điều kiện biên hình học

Để tiện cho việc tính toán, ta coi ống lót xi lanh động cơ V12 là chi tiết có

tính đối xứng tròn xoay qua đường tâm xi lanh cả về mặt hình học, cả về tải trọng

nhiệt cũng như tải trọng cơ. Do kết cấu của chi tiết ống lót xi lanh động cơ có

dạng tròn nên chính xác ta phải giải bài toán truyền nhiệt qua vách trụ. Nhưng do

tỷ số đường kính ngoài và đường kính trong của ống lót xi lanh <

2 nên ta coi bài toán là truyền nhiệt qua vách phẳng và giả thiết quá trình truyền

nhiệt cho thành ống lót xi lanh chỉ diễn ra theo phương hướng kính.

* Điều kiện biên vật lý

Thể hiện tính chất của vật liệu chế tạo ống lót xi lanh động cơ V12, các đặc

tính của vật liệu chế tạo thể hiện qua các thông số đặc trưng sau [7]:

- Hệ số dẫn nhiệt - VL [W/m.0C];

- Nhiệt dung riêng - C [J/kg.0C];

- Khối lượng riêng -  [kg/m3].

Vật liệu chế tạo ống lót xi lanh động cơ V12 là thép 38XMHOA, các đặc

tính của vật liệu chế tạo ống lót xi lanh được thể hiện trên bảng 3.5 [30].

Bảng 3.5. Thuộc tính vật liệu chế tạo ống lót xi lanh động cơ V12, [30]

Nhiệt độ [0C] Đặc

tính 20 100 200 300 400 500 600 700 800

33 33 32 31 20 20 28 27 27 VL

C - 496 517 533 546 575 609 638 676

7710 7710 7710 7710 7710 7710 7710 7710 7710 

* Điều kiện biên thời gian

Việc tính toán trạng thái nhiệt được tiến hành tại chế độ công suất định mức

(Ne.đm) tương ứng với 100% hành trình thanh răng bơm cao áp (BCA) tại tốc độ

vòng quay ứng với công suất định mức (2000 [v/ph]).

* Điều kiện biên tiếp xúc

Các điều kiện biên tiếp xúc cơ bản biểu diễn sự tương tác về nhiệt của bề

mặt chi tiết và môi trường xung quanh. Đối với bài toán tính toán trường nhiệt độ

của xi lanh động cơ V12 ta có thể sử dụng các điều kiện biên tiếp xúc loại 3 và

loại 4.

+ Phân tích điều kiện biên loại 3

Bốn bề mặt trao đổi nhiệt đặc trưng được phân biệt trong xi lanh khảo sát

được trình bày trên hình 3.5 và điều kiện biên loại 3 được gắn với các bề mặt này.

Bởi vì trao đổi nhiệt của các bề mặt (1), (2) thay đổi trong toàn bộ chu trình công

tác của động cơ, đối với các bề mặt này nhiệt độ và hệ số trao nhiệt là hàm theo

thời gian (hoặc theo góc quay của trục khuỷu). Đối với bề mặt số (3) có thể chấp

nhận giá trị nhiệt độ và hệ số trao đổi nhiệt trung bình tại bề mặt này.

Hình 3.5. Mô hình 2 miền xi lanh động cơ V12

- Bề mặt trượt giới hạn bởi đỉnh pít tông và xéc măng khí thứ nhất khi pít tông

ở vị trí điểm chết trên (ĐCT) - Bề mặt số 1

Do bề mặt này nhận nhiệt phụ thuộc vào vị trí của pít tông, bước phân tích

được tính toán sau chiều dài xi lanh 30 mm tương ứng với 300 góc quay trục

khuỷu.

Điều kiện trao đổi nhiệt đối với bề mặt số (1):

+ 0-300 (góc quay trục khuỷu-GQTK) [bước1], 3300-3900(GQTK) [bước 12-

13] và 6900-7200 (GQTK) [bước 24] - giá trị nhiệt độ và hệ số trao nhiệt đối với

bề mặt này được giả thiết tương ứng với bề mặt pít tông (từ đỉnh pít tông tới xéc

măng khí số 1) [2].

α1(i) =

[K] T1(i) =

trong đó:

- hệ số trao nhiệt của môi chất với thành xi lanh theo góc quay trục

khuỷu;

- nhiệt độ môi chất công tác theo góc quay trục khuỷu.

+ 300-3300 (GQTK) [bước 2-11] và 3900-6900 (GQTK) [bước 14-23] - điều

kiện trao đổi cân bằng với điều kiện môi chất trong buồng cháy.

- Bề mặt gương xi lanh từ xéc măng khí số 1 (khi pít tông ở vị trí ĐCT) tới xéc

măng dầu số 1 (phía trên bệ chốt) khi pít tông ở vị trí điểm chết dưới (ĐCD) -

Bề mặt số 2

Điều kiện trao đổi nhiệt trên bề mặt này phụ thuộc vào vị trí pít tông, bởi

vì bề mặt này nhận nhiệt từ những bề mặt riêng biệt của pít tông (bề mặt từ đỉnh

pít tông tới xéc măng khí số 1, bề mặt lưng xéc măng, bề mặt phần thân pít tông

và bởi môi chất công tác). Bước tải tính toán là 300 (GQTK):

+ 0-300 (góc quay trục khuỷu-GQTK) [bước 1], 3300-3900 (GQTK) [bước

12-13] và 6900-7200 (GQTK) [bước 24] - giá trị nhiệt độ và hệ số trao nhiệt của

bề mặt này là giá trị trung bình giữa xéc măng và khí lọt trong các te.

+ 300-600 (GQTK) [bước 2], 3000-3300 (GQTK) [bước 11] và 6600-6900

(GQTK) [bước 23] - giá trị nhiệt độ và hệ số trao nhiệt của bề mặt này là giá trị

trung bình giữa các bề mặt từ đỉnh pít tông tới xéc măng khí số 1, bề mặt lưng xéc

măng và khí lọt trong các te.

+ 600-3000 (GQTK) [bước 3-10], 3900-6600 (GQTK) [bước 14-22] - giá trị

nhiệt độ và hệ số trao nhiệt của bề mặt này là giá trị trung bình giữa các bề mặt từ

đỉnh pít tông tới xéc măng khí số 1, bề mặt lưng xéc măng, khí lọt trong các te và

môi chất công tác.

- Bề mặt gương xi lanh phía dưới xéc măng dầu số 1 (phía trên bệ chốt) khi pít

tông ở vị trí ĐCD - Bề mặt số 3

Trên toàn bộ bề mặt số (3), điều kiện trao đổi nhiệt được giả thiết là giống

như bề mặt pít tông tương ứng (phần giới hạn từ xéc măng số 1 (phía trên bệ chốt)

tới hết phần thân pít tông [2].

α3(i) =

[K] T3 = 330  363

- Bề mặt gương xi lanh phía tiếp xúc với nước làm mát - Bề mặt số 4

Quá trình trao đổi nhiệt giữa thành ngoài ống lót xi lanh với nước làm mát là

quá trình trao đổi nhiệt đối lưu. Quá trình này bao gồm trao đổi nhiệt đối lưu tự

nhiên và trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức. Quá trình làm việc của động cơ nước

làm mát liên tục được chảy trong các áo nước và đường ống tạo thành một vòng

tuần hoàn kín dưới tác dụng của bơm nước. Do đó các quá trình trao đổi nhiệt đối

lưu tự nhiên là không đáng kể, khi tính toán quá trình trao đổi nhiệt giữa thành

ngoài ống lót xi lanh với nước làm mát ta bỏ qua trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên

mà chỉ tính đến trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức.

Nhiệt độ tại thành ngoài ống lót xi lanh chọn bằng nhiệt độ trung bình của

nước làm mát trong khối thân xi lanh.

- Điều kiện biên trao đổi nhiệt giữa thành ngoài ống lót xi lanh với không khí

trong các te (bề mặt số 9).

Đối với điều kiện biên của bài toán tại khu vực này tác giả chọn một cách

gần đúng như sau [7], [2]:

kl = 60  290

Tkl = 330  363 [K]

+ Phân tích điều kiện biên loại 4

- Điều kiện biên trao đổi nhiệt giữa vai tựa trên ống lót xi lanh với khối thân

máy - bề mặt số 5, 6 và 7.

Quá trình trao đổi nhiệt tại khu vực vai tựa trên của ống lót xi lanh bao gồm

trao đổi nhiệt giữa môi chất công tác với mặt gương xi lanh, trao đổi nhiệt dẫn

nhiệt giữa thành ngoài với thành khối thân xi lanh, quá trình trao đổi nhiệt đối lưu

tự nhiên giữa thành khối thân xi lanh với không khí bên ngoài động cơ và quá

trình trao đổi nhiệt đối lưu giữa thành khối thân xi lanh với nước làm mát. Trên

thực tế, còn có quá trình trao đổi nhiệt dẫn nhiệt giữa các thành của các xi lanh

cạnh nhau với khối thân nhưng do khi đó bài toán trao đổi nhiệt trở lên rất phức

tạp vì vậy khi xác định điều kiện biên của bài toán tại khu vực này tác giả chọn

một cách gần đúng như sau [7]:

5 = 5000

T5 = 550 [K] - Điều kiện biên trao đổi nhiệt giữa vai tựa dưới ống lót xi lanh với khối thân

máy - bề mặt số 8

Quá trình trao đổi nhiệt tại khu vực giữa vai tựa dưới ống lót xi lanh với

thành khối thân xi lanh bao gồm rất nhiều quá trình phức tạp như quá trình trao

đổi nhiệt giữa píttông với mặt gương xi lanh, trao đổi nhiệt tiếp xúc giữa thành xi

lanh với thành khối thân xi lanh, trao đổi nhiệt tiếp xúc giữa thành khối thân xi

lanh với thành xi lanh của máy bên cạnh và trao đổi nhiệt đối lưu giữa thành khối

thân xi lanh với không khí bao quanh.

Do vậy khi xác định điều kiện biên của bài toán tại khu vực này tác giả chọn

một cách gần đúng như sau [7]:

6 = 5000

T6 = 343 [K].

Để phù hợp với việc tính toán, coi quá trình trao đổi nhiệt là quá trình tựa

tĩnh, , T và q nhận một giá trị trung bình tương đương nhất định nào đó, sao

cho tổng lượng nhiệt mà môi chất truyền cho xi lanh tương đương với tổng lượng

nhiệt mà bề mặt gương xi lanh nhận được trong một chu trình công tác tại mỗi

chế độ làm việc ổn định của động cơ mà ta cần tính toán. Để xác định các điều

kiện biên về hệ số trao đổi nhiệt, nhiệt độ làm thông số đầu vào khi tính toán

trường nhiệt độ bằng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) dựa trên phần mềm

ANSYS [6] ta chia các bề mặt trao đổi nhiệt của ống lót xi lanh thành các vùng

như trên hình 3.6. Các vùng này được chia dựa trên cơ sở tính toán chu trình công

tác của động cơ, mối tương quan giữa bề mặt pít tông và thành xi lanh khi pít tông

ở điểm chết dưới.

Hình 3.6. Mô hình trao đổi nhiệt của ống lót xi lanh động cơ V12

Các quá trình trao đổi nhiệt bao gồm:

+ Quá trình trao đổi nhiệt giữa môi chất công tác với thành xi lanh (1, T1);

+ Bề mặt thành xi lanh có kể đến quá trình trao đổi nhiệt giữa môi chất công tác

với thành xi lanh, dẫn nhiệt từ cụm xéc măng tới thành xi lanh (2, T2);

+ Bề mặt thành xi lanh có kể đến quá trình trao đổi nhiệt giữa môi chất công tác

với thành xi lanh, dẫn nhiệt từ cụm xéc măng và thân pít tông tới thành xi lanh

(3, T3);

+ Bề mặt thành xi lanh có kể đến quá trình trao đổi nhiệt giữa môi chất công tác

với thành xi lanh, dẫn nhiệt từ cụm xéc măng, thân pít tông tới thành xi lanh và

trao đổi nhiệt giữa khí lọt với thành xi lanh (4, T4, 5, T5, 6, T6, 7, T7);

+ Bề mặt thành xi lanh có kể đến quá trình trao đổi nhiệt giữa thân pít tông với

thành xi lanh, trao đổi nhiệt giữa khí lọt với thành xi lanh (8, T8);

+ Bề mặt xi lanh kể đến quá trình trao đổi nhiệt giữa ống lót với khí lọt bên trong

các te (9, T9);

+ Quá trình trao đổi nhiệt giữa vai tựa dưới ống lót xi lanh với khối thân máy (10,

T10);

+ Quá trình trao đổi nhiệt giữa ống lót với nước làm mát (11, T11);

+ Quá trình trao đổi nhiệt giữa vai tựa trên ống lót xi lanh với khối thân máy (12,

T12).

Từ các giá trị hệ số trao đổi nhiệt tức thời tính theo công thức của

Hohenberg, hệ số trao đổi nhiệt trung bình và nhiệt độ trung bình cho toàn bộ quá

trình được xác định như sau:

, [W/m2.K] (3.2)

, [K] (3.3)

trong đó:  - Góc quay trục khuỷu, [độ].

Hệ số trao đổi nhiệt giữa môi chất công tác với bề mặt gương xi lanh và

nhiệt độ của môi chất công tác trong buồng cháy theo góc quay trục khuỷu được

xác định khi tính toán chu trình công tác bằng phần mềm GT-Power như trình bày

tại mục 3.2. Dựa vào kết quả tính toán và bằng phương pháp tích phân đồ thị ta

xác định được giá trị hệ số trao đổi nhiệt (i - [W/m2.K]) và nhiệt độ tương ứng

với từng vùng của ống lót (Ti - [K]) do tiếp xúc với môi chất công tác. Ngoài ra,

giá trị hệ số trao đổi nhiệt và nhiệt độ tại các vùng trên mặt gương xi lanh do quá

trình truyền nhiệt ở phần đầu pít tông như sau [43], [44]:

[W/m2.K]

[K]

[W/m2.K]

[K]

[W/m2.K]

[K]

[W/m2.K]

[K]

[W/m2.K]

[K]

[W/m2.K]

[K]

Với các điều kiện biên đã xác định, thông qua chương trình tính toán trường

nhiệt độ của ống lót xi lanh bằng phần mềm ANSYS được viết dưới dạng ngôn

ngữ tham số hóa thiết kế (APDL - ANSYS Parametric Design Language) ta thu

được các kết quả ở chế độ khảo sát ứng với các loại nhiên liệu khác nhau như trên

hình từ hình 3.7 đến hình 3.10. Chương trình tính toán trường nhiệt độ ống lót xi

lanh ứng với một trường hợp cụ thể được giới thiệu chi tiết ở phần phụ lục của

luận văn.

Hình 3.7. Trường nhiệt độ ống lót xi lanh khi sử dụng nhiên liệu D100

Hình 3.8. Trường nhiệt độ ống lót xi lanh khi sử dụng nhiên liệu E10

Hình 3.9. Trường nhiệt độ ống lót xi lanh khi sử dụng nhiên liệu B10

Hình 3.10. Trường nhiệt độ ống lót xi lanh khi sử dụng nhiên liệu M10

Nhận xét: Qua các kết quả tính toán trường nhiệt độ ống lót xi lanh khi sử dụng

các nhiên liệu D100, E10, B10 và M10 rút ra một số kết luận sau:

+ Quy luật phân bố trường nhiệt độ trong cả 4 trường hợp đều phù hợp với

các nghiên cứu lý thuyết đã được công bố, đó là nhiệt độ thay đổi theo chiều dài

xi lanh theo quy luật giảm dần từ vai tựa trên xuống phía tiếp xúc với khí lọt ở các

te và theo phương hướng kính từ phía mặt gương xi lanh ra mặt tiếp xúc với nước

làm mát.

+ Khi pha thêm alcohol vào nhiên liệu diesel khoáng, nhiệt độ cực đại của

ống lót tăng lần lượt là: E10: 5,4%; B10: 3,7% và M10: 2,23%. Có thể nhận thấy,

khi thêm alcohol vào nhiên liệu khoáng sự thay đổi nhiệt độ cực đại trên bề mặt

gương xi lanh không nhiều, điều này cho phép khi động cơ chuyển sang vận hành

lưỡng nhiên liệu diesel - alcohol thì vẫn đảm bảo an toàn.

3.4. Kết luận chương 3

- Trên cơ sở mô hình và bộ số liệu của động cơ V12 đã xây dựng và hiệu

chỉnh mô hình mô phỏng động cơ có độ chính xác và tin cậy. Các giá trị mô phỏng

khác với giá trị của nhà sản xuất đều nằm trong giới hạn cho phép, với sai số tương

đối lớn nhất là 7,34%.

- Trên cơ sở các tính chất cơ bản của nhiên liệu D100, E10, B10 và M10,

thông qua mô phỏng mô hình đã được thiết lập bằng phần mềm GT-Power nhận

thấy:

+ Công suất có ích của động cơ có sự sụt giảm nhẹ, chẳng hạn khi sử dụng

B10 là 4%, E10 là 5,5% và M10 là 7,7%. Tuy nhiên, suất tiêu hao nhiên

liệu có chiều hướng tăng lên khi thêm alcohols lần lượt là 4,3%, 5,7% và

8,3%; điều này là do nhiệt trị của các nhiên liệu B10, E10 và M10 thấp hơn

so với diesel khoáng.

+ Áp suất cực đại của hỗn hợp diesel-alcohols là cao hơn so với khi sử

dụng diesel khoáng.

+ Khi thêm alcohol vào diesel nền sẽ làm tăng nhẹ hàm lượng phát thải

NOx, trong khi đó gây giảm đáng kể các chất ô nhiễm khác như CO, HC và

CO2.

- Khi pha thêm alcohol vào nhiên liệu diesel khoáng, nhiệt độ cực đại của

ống lót tăng lần lượt là: E10: 5,4%; B10: 3,7% và M10: 2,23%. Có thể nhận thấy,

khi thêm alcohol vào nhiên liệu khoáng nhiệt độ cực đại trên bề mặt gương xi lanh

thay đổi rất ít, điều này cho phép khi động cơ chuyển sang vận hành chế độ lưỡng

nhiên liệu diesel - alcohol thì vẫn đảm bảo an toàn.

KẾT LUẬN CHUNG

Qua một thời gian nghiên cứu, luận văn đã thực hiện xong nội dung 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”, quá trình tính toán mô phỏng và

khảo sát đưa ra một số kết luận sau:

 Công suất có ích của động cơ có sự sụt giảm nhẹ, chẳng hạn khi sử dụng

B10 là 4%, E10 là 5,5% và M10 là 7,7%. Tuy nhiên, suất tiêu hao nhiên liệu có

chiều hướng tăng lên khi thêm alcohols lần lượt là 4,3%, 5,7% và 8,3%; điều này

là do nhiệt trị của các nhiên liệu B10, E10 và M10 thấp hơn so với diesel khoáng.

 Áp suất cực đại của hỗn hợp diesel - alcohols là cao hơn so với khi sử

dụng diesel khoáng.

 Khi thêm alcohol vào diesel nền sẽ làm tăng nhẹ hàm lượng phát thải

NOx, trong khi đó gây giảm đáng kể các chất ô nhiễm khác như CO, HC và CO2

(chất gây ra hiệu ứng nhà kính).

 Khi pha thêm alcohol vào nhiên liệu diesel khoáng sẽ giảm phát thải các

chất ô nhiễm từ động cơ trong khi không làm ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất và

công suất có ích của động cơ. Ngoài ra, khi pha thêm các alcohol này giúp ta có

thể tâp trung các giải pháp xử lý NOx hiệu quả hơn do chất ô nhiễm dạng hạt PM

được giảm đáng kể, sự giảm PM có thể do tỷ lệ không khí/nhiên liệu (A/F) thấp

hơn tại chế độ tải lớn và lượng ô xy có sẵn trong nhiên liệu diesel - alcohol. Bởi

vì, trong động cơ diesel kiểm soát sự phát thải NOx và PM đồng thời tại nguồn

phát là rất khó khăn. Chính vì vậy, thêm nhiên liệu có tính ô xi hóa vào nhiên liệu

diesel khoáng gần như là một sự lựa chọn tốt cho động cơ diesel, đặc biệt giảm sử

dụng các bộ xử lý khí thải đắt tiền sau nguồn phát sinh.

 Khi pha thêm alcohol vào nhiên liệu diesel khoáng, nhiệt độ cực đại của

ống lót tăng lần lượt là: E10: 5,4%; B10: 3,7% và M10: 2,23%. Có thể nhận thấy,

khi thêm alcohol vào nhiên liệu khoáng nhiệt độ cực đại trên bề mặt gương xi lanh

thay đổi rất ít, điều này cho phép khi động cơ chuyển sang vận hành chế độ lưỡng

nhiên liệu diesel - alcohol thì vẫn đảm bảo an toàn

Hướng phát triển tiếp theo của đề tài:

+ Xác định tỷ lệ hòa trộn alcohol - diesel lớn nhất trên toàn vùng làm việc

của động cơ.

+ Nghiên cứu ảnh hưởng khi thêm các alcohol có số nguyên tử các bon > 4

vào diesel khoáng đến các chỉ tiêu công tác và phát thải của động cơ.

Do khả năng và điều kiện kinh phí có hạn, trang thiết bị thực nghiệm không

đảm bảo nên kết quả luận văn còn có những sai sót, hạn chế nhất định, rất mong

sự giúp đỡ đóng góp ý kiến của các thầy và các bạn đồng nghiệp.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

[1]. Vũ Quốc Anh, Phạm Thanh Hoan (2006), "Tính toán kết cấu bằng phần mềm

ANSYS", NXB Xây dựng.

[2]. Nguyễn Trung Kiên (2016), "Nghiên cứu ảnh hưởng của mức độ tăng áp đến

phụ tải nhiệt của động cơ diesel khi cường hóa”, Luận án tiến sĩ kỹ thuật.

[3]. Hà Quang Minh (1992), "Những nội dung mới trong nghiên cứu và tính toán

chu trình công tác của động cơ", Học viện Kỹ thuật Quân sự.

[4]. Hà Quang Minh (2001), "Phương pháp tính toán chu trình công tác của động

cơ", giáo trình Cao học, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội.

[5]. Hà Quang Minh (2002), “Lý thuyết động cơ đốt trong”, NXB Quân đội nhân

dân, Hà Nội.

[6]. Nguyễn Văn Phái, Trương Tích Thiện, Nguyễn Tường Long, Nguyễn Định

Giang (2003), "Giải bài toán cơ kỹ thuật bằng chương trình ANSYS", NXB Khoa

học và Kỹ thuật.

[7]. Trần Văn Tế (1997), "Bài giảng sau đại học: Trao đổi nhiệt của động cơ đốt

trong", ĐHBK Hà Nội.

[8]. Lê Anh Tuấn, Phạm Hữu Tuyến, Văn Đình Sơn Thọ (2017), “Nhiên liệu thay

thế dùng cho động cơ đốt trong”, NXB ĐHBK Hà Nội.

Tiếng Anh

[9]. Gamma Technologies (2016), GT-Power Tutorial Ver 7.3

[10]. Ghazi A.Karim (2015), "Dual-Fuel diesel engines", CRC Press, Taylor &

Francis Group.

[11]. Nadir Yilmaz, Alpaslan Atmanli (2017), “Experimental evaluation of a

diesel engine running on the blends of diesel and pentanol as a next generation

higher alcohol”, Elsevier.

[12]. T. Balamurugan, R. Nalini (2014), "Experimental investigation on

performance, combustion and emission characteristics of four stroke diesel

engine using diesel blended with alcohol as fuel", Elsevier.

[13]. H.K. Imdadul, H.H. Masjuki, etc (2015), “Higher alcohol–biodiesel–diesel

blends: An approach for improving the performance, emission, and combustion

of a light-duty diesel engine”, Elsevier.

[14]. M.S.M. Zaharin, N.R. Abdullah, etc (2017), "Effects of physicochemical

properties of biodiesel fuel blends with alcohol on diesel engine performance and

exhaust emissions: A review", Elsevier.

[15]. B. Rajesh Kumar, S. Saravanan, D. Rana, A. Nagendran (2016), "A

comparative analysis on combustion and emissions of some next generation

higher-alcohol: diesel blends in a direct-injection diesel engine", Elsevier.

[16]. Arkadiusz Jamrozik (2017), "The effect of the alcohol content in the fuel

mixture on the performance and emissions of a direct injection diesel engine

fueled with diesel-methanol and diesel-ethanol blends", Elsevier.

[17]. Ambarish Datta, Bijan Kumar Mandal (2015), "Impact of alcohol addition

to diesel on the performance combustion and emissions of a compression ignition

engine", Elsevier.

[18]. M. Abu-Qudais, O. Haddad, M. Qudaisat (1999), "The effect of alcohol

fumigation on diesel engine performance and emissions", Energy Conversion &

Management 41.

[19]. Satish Kumar, Jae Hyun Cho, Jaedeuk Park, Il Moon (2013), "Advances in

diesel–alcohol blends and their effects on the performance and emissions of diesel

engines", Elsevier.

[20]. B. Rajesh Kumar, S. Saravanan (2016), "Use of higher alcohol biofuels in

diesel engines: A review", Elsevier.

[21]. A. Imran, M. Varman, H.H. Masjuki, M.A. Kalam (2013), "Review on

alcohol fumigation on diesel engine: A viable alternative dual fuel technology for

satisfactory engine performance and reduction of environment concerning

emission", Elsevier.

[22]. Wojciech Tutak, etc (2015), "Alcohol–diesel fuel combustion in the

compression ignition engine", Fuel, Elsevier.

[23]. M. Abu-Qudais, O. Haddad, M. Qudaisat (1999), "Effect of alcohol

fumigation on diesel engine performance", Energy Conversion & Management

41.

[24]. Chunde Yao, Wang Pan, AnrenYao (2017), "Methanol fumigation in

compression-ignition engines: A critical review of recent academic and

technological developments", Fuel, Elsevier.

[25]. Arkadiusz Jamrozik (2017), "The effect of the alcohol content in the fuel

mixture on the performance and emissions of a direct injection diesel engine

fueled with diesel-methanol and diesel-ethanol blends", Energy Conversion &

Management, Elsevier.

[26]. Z.H. Zhang, C.S. Cheung, T.L. Chan, C.D. Yao (2009), "Experimental

investigation of regulated and unregulated emissions from a diesel engine fueled

with Euro V diesel fuel and fumigation methanol", Atmospheric Environment,

Elsevier.

[27]. Xinlei Liu, etc (2016), "Development of a combined reduced primary

reference fuel-alcohol (methanol-ethanol-propanols-butanols-n-pentanol)

mechanism for engine applications", Energy, Elsevier.

[28]. Z.H. Zhang, C.S. Cheung, T.L. Chan, C.D. Yao (2013), “Influence of

fumigation methanol on the combustion and particulate emissions of a diesel

engine", Fuel, Elsevier.

[29]. A. Osman Emiroglu, Mehmet, Sen (2017), “Combustion, performance and

emission characteristics of various alcohol blends in a single cylinder diesel

engine”, Fuel, Elsevier.

Tiếng Nga

[30]. Двигатели В-2 и В-6. Техническое описание. М.: Военное

издательство, 1975.

PHỤ LỤC CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN TRẠNG THÁI NHIỆT ỐNG LÓT XI LANH DỰA TRÊN NGÔN NGỮ THAM SỐ HÓA THIẾT KẾ TRONG ANSYS ! Chương trình tổng quát tính toán trường nhiệt độ ống lót xi lanh động cơ V12 được trình bày như sau: FINISH /CLEAR /Title, TRUONG NHIET DO ONG LOT XILANH DONG CO V12 /FILNAME, XILANH_V12 /Prep7 KEYW,Thermal,1 /PMETH,STAT,0 !Xây dựng mô hình hình học của ống lót xi lanh động cơ V12 K,1,0,0,0 K,2,78.5,0,0 K,3,78.5,64,0 K,4,79,64,0 K,5,79,82.3,0 K,6,82,82.3,0 K,7,82,122.3,0 K,8,81,122.3,0 K,9,81,259,0 K,10,82.5,259,0 K,11,82.5,268,0 K,12,86,268,0 K,13,86,275,0 K,14,77.5,275,0 K,15,77.5,276.8,0 K,16,75,276.8,0 K,17,75,268.8,0 K,18,75,238.8,0 K,19,75,208.8,0 K,20,75,178.8,0 K,21,75,148.8,0 K,22,75,118.8,0 K,23,75,88.8,0 K,24,75,0,0 K,25,0,280,0 L,2,3 L,3,4 L,4,5 L,5,6 L,6,7 L,7,8 L,8,9 L,9,10

L,10,11 L,11,12 L,12,13 L,13,14 L,14,15 L,15,16 L,16,17 L,17,18 L,18,19 L,19,20 L,20,21 L,21,22 L,22,23 L,23,24 L,24,2 LGLUE,ALL AL,ALL VROT,ALL,,,,,,1,25,90,1 /VIEW,1,-2,1,1 !KHAI BAO KIEU PHAN TU /TYPE ET,1,SOLID90 !KHAI BAO VAT LIEU MPTEMP,1,20,100,200,300,400,500 MPTEMP,7,600,700,800 MPDATA,C,1,2,496,517,533,546,575,609 MPDATA,C,1,8,638,676 MPDATE,DENS,1,1,7710,7710,7710,7710,7710,7710 MPDATE,DENS,1,7,7710,7710,7710 MPDATA,KXX,1,1,33*10E-3,33*10E-3,32*10E-3,31*10E-3,20*10E-3,20*10E-3 MPDATA,KXX,1,7,28*10E-3,27*10E-3,27*10E-3 MPDATA,ALPX,1,2,11.5*10E-6,11.8*10E-6,12.7*10E-6,13.4*10E-6,13.9*10E-6,14.7*10E-6 MPDATA,ALPX,1,8,14.9*10E-6 MPDATA,ALPY,1,2,11.5*10E-6,11.8*10E-6,12.7*10E-6,13.4*10E-6,13.9*10E-6,14.7*10E-6 MPDATA,ALPY,1,8,14.9*10E-6 MPDATA,ALPZ,1,2,11.5*10E-6,11.8*10E-6,12.7*10E-6,13.4*10E-6,13.9*10E-6,14.7*10E-6 MPDATA,ALPZ,1,8,14.9*10E-6 !DAT TAI LEN MO HINH TUNIF,400 SFA,16,,CONV,16,T16 SFA,17,,CONV,17,T17 SFA,18,,CONV,18,T18 SFA,19,,CONV,19,T19 SFA,20,,CONV,20,T20 SFA,21,,CONV,21,T21

SFA,22,,CONV,22,T22 SFA,23,,CONV,22,T23 SFA,2,,CONV,2,T2 SFA,4,,CONV,4,T4 SFA,6,,CONV,6,T6 SFA,8,,CONV,8,T8 SFA,10,,CONV,10,T10 SFA,12,,CONV,12,T12

LSWRITE,SO1 !CHIA LUOI ESIZE,6 VSWEEP,ALL FINISH /SOLU !XAC DINH KIEU PHAN TICH ANTYPE,0,NEW NROPT,AUTO CNVTOL,TEMP,300,0.0005 SOLVE FINISH /POST1 PLNSOL,TEMP,,,1

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: 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

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 2018

MỤC LỤC

Có thể bạn quan tâm

Tài liêu mới

Giới thiệu

Về chúng tôi

Việc làm

Quảng cáo

Liên hệ

Chính sách

Thoả thuận sử dụng

Chính sách bảo mật

Chính sách hoàn tiền

DMCA

Hỗ trợ

Hướng dẫn sử dụng

Đăng ký tài khoản VIP

093 303 0098

support@tailieu.vn

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi

Facebook

Youtube

TikTok

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: 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

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 2018

MỤC LỤC

Có thể bạn quan tâm

Tài liêu mới

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Giới thiệu

Về chúng tôi

Việc làm

Quảng cáo

Liên hệ

Chính sách

Thoả thuận sử dụng

Chính sách bảo mật

Chính sách hoàn tiền

DMCA

Hỗ trợ

Hướng dẫn sử dụng

Đăng ký tài khoản VIP

093 303 0098

support@tailieu.vn

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi

Facebook

Youtube

TikTok