TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
88
TÍNH TOÁN VAN CUNG CẤP HỖN HỢP BIOGAS-KHÔNG KHÍ CHO
ĐỘNG CƠ TỰ CHÁY DO NÉN BẰNG PHẦN MỀM FLUENT
CALCULATION OF BIOGAS-AIR MIXING VALVE FOR COMPRESSION
IGNITION ENGINES BY THE FLUENT CODE
Bùi Văn Ga, Nguyễn Việt Hải, Nguyễn Hoàng Nguyên
Đại học Đà Nẵng
TÓM TẮT
Sự phân bố trường tốc độ của nhiên liệu và không khí qua bộ tạo hỗn hợp của động cơ
biogas-diesel được mô phỏng bằng phần mềm FLUENT. Kết quả mô phỏng cho phép ta xây
dựng được đường đặc tính tạo hỗn hợp theo biên dạng của van côn. Bộ phụ kiện cung cấp
nhiên liệu vạn năng cho động cơ biogas-diesel được chế tạo trên cơ sở kết quả mô phỏng này
đã hoạt động tốt trong thực tiễn.
ABSTRACT
The velocity field distribution of fuel and air in the mixture device of biogas-diesel engine
is simulated by the FLUENT code. The simulation results allow us to build up characteristic
curves of mixing in function of conic valve’s profile. A universal fuel supplying kit for the biogas-
diesel engine was manufactured based on the result and it worked well in practice.
1. Giới thiệu
Sử dụng biogas để chạy máy phát điện là giải pháp hữu hiệu nhằm tiết kiệm
năng lượng và bảo vệ môi trường ở khu vực nông thôn của nước ta [4]. Hầu hết các loại
động cơ đốt trong sử dụng xăng, dầu đều có thể chuyển đổi sang chạy bằng biogas
thuần túy hay sử dụng lưỡng nhiên liệu. Hiệu quả kinh tế của động cơ chạy bằng biogas
phụ thuộc vào cỡ công suất động cơ và nguyên lý tạo hỗn hợp cháy [5]. Việc chuyển
đổi động cơ truyền thống sang chạy bằng biogas được thực hiện nhờ bộ phụ kiện
chuyển đổi nhiên liệu. Trong thực tế áp suất và chất lượng biogas của nguồn cung cấp
thay đổi do đó bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu cần phải được thiết kế phù hợp để
động cơ có thể vận hành trong những điều kiện nguồn cung cấp nhiên liệu thay đổi.
Trong công trình trước đây [3] chúng tôi đã thử nghiệm một kiểu van tiết lưu để điều
chỉnh thành phần hỗn hợp theo tải động cơ biogas. Kiểu van này phù hợp với một
nguồn biogas có áp suất cho trước. Khi áp suất biogas ở nguồn cung cấp thay đổi, việc
điều chỉnh trở nên khó khăn.
Bài báo này trình bày kỹ thuật tạo hỗn hợp cho động cơ biogas bằng cách phối
hợp giữa họng Venturie và van côn. Sự hòa trộn giữa nhiên liệu và không khí qua bộ tạo
hỗn hợp được tính toán bằng phần mềm FLUENT 6.0. Đường đặc tính tạo hỗn hợp
được so sánh với hai kiểu biên dạng van côn: van côn phẳng và van côn lồi.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
89
2. Tính toán thành phần hỗn hợp
Để đốt cháy hoàn toàn 1kg CH4 chúng ta cần 4kg O2 hay 400/21kg không khí.
Nếu biogas có chứa X% CH4 (theo khối lượng) thì cứ 100/X kg biogas cần có 400/21 kg
không khí để đốt cháy hoàn toàn. Vì vậy tỉ lệ biogas/không khí để đảm bảo cháy hoàn
toàn lý thuyết là:
Xm
m
lt
kk
biogas
4
21
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
(kg/kg) (1)
Nếu gọi Y% là thành phần thể tích của CH4 trong biogas và giả sử biogas chỉ
chứa CH4 và CO2, ta có:
)Y100(44Y16
Y1600
X−+
= (%) (2)
Khối lượng riêng của biogas là:
2240
)Y100(44Y16
biogas
−
+
=ρ (kg/m3) (3)
Gọi Dair là đường kính của đường nạp không khí và Dbiogas là đường kính ống
nạp biogas. Lưu lượng không khí nạp vào động cơ trong kỳ nạp là
4/DVm 2
airairairair πρ=
. Lưu lượng biogas nạp vào động cơ là
4/DVm 2
biogasbiogasbiogasbiogas πρ=
. Do đó:
2
air
biogas
air
biogas
air
biogas
tt
air
biogas
D
D
V
V
m
m
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
ρ
ρ
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
(4)
Do đó nếu xác định được tốc độ không khí Vair đi vào đường nạp không khí và
tốc độ biogas Vbiogas đi vào đường nạp biogas thì chúng ta có thể tính được tỉ lệ hỗn hợp
φ ở mỗi vị trí của van côn:
air
biogas
V
V
k=φ (5)
21
X4
D
D
k
2
air
biogas
air
biogas ⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
ρ
ρ
= (6)
Sơ đồ bộ tạo hỗn hợp động cơ chạy bằng biogas được trình bày trên hình 1.
Nhiên liệu biogas được dẫn đến van côn với áp suất đầu vào pfuel. Áp suất này dao động
phụ thuộc vào dạng hầm biogas cũng như điều kiện lưu trữ. Thông thường biogas có áp
suất dư khoảng 20-50mm cột nước (khoảng 200-500Pa). Sau khi qua van côn, biogas
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
90
được dẫn vào đường nạp của động cơ qua họng Venturie. Nhờ độ chân không tại họng,
khí biogas được hút vào đường nạp làm giảm bớt ảnh hưởng của áp suất biogas cùng
cấp ở đầu vào.
Hình 1: Sơ đồ bộ tạo hỗn hợp động cơ biogas
Họng Venturie được mắc nối tiếp trên đường nạp động cơ giữa bầu lọc gió và cổ
góp đường nạp. Áp suất không khí đầu vào họng Venturie nhỏ hơn áp suất khí trời do
trở lực của bầu lọc gió. Áp suất của hỗn hợp ở đầu ra của họng Venturie phụ thuộc vào
sự dịch chuyển của piston trong quá trình nạp. Lưu lượng hỗn hợp biogas-không khí
nạp vào một xi lanh Qxl,i tại một vị trí góc quay trục khuỷu α cho trước là:
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛α
λ
+α
π
ω=α 2sin
2
sin
4
D
R)(Q
2
i,xl (m3/s) (7)
Trong đó R(m) là chiều dài tay quay trục khuỷu, ω (rad/s) là tốc độ góc của trục
khuỷu, D(m) là đường kính xi lanh, λ=R/L với L(m) là chiều dài thanh truyền.
Lưu lượng hỗn hợp đi qua đường nạp tại một thời điểm cho trước là:
)(Q)(Q
nxilanh
1i
i,xl,hh α=α ∑
=
Σ (m3/s) (8)
Độ chân không trên đường nạp tại một thời điểm cho trước là:
2
2
nap
,hh
hhnap
4
D
)(Q
2
1
)(P
⎟
⎟
⎟
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎜
⎜
⎜
⎝
⎛
π
α
ρ=α∆ Σ(Pa) (9)
30
3040
30
30 12
φ
8
φ
30
φ
15
φ
17
φ
27
φ
16
20
Biogas
Không khí Hỗn hợp
pfuel
pai
r
pmi
x
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
91
3. Tính toán dòng chảy qua bộ tạo hỗn hợp bằng phần mềm FLUENT
- Tạo lưới GAMBIT: Không gian của bộ
tạo hỗn hợp được chia thành hai phần.
Phần thứ nhất chỉ bao gồm họng
Venturie. Phần thứ hai bao gồm van
côn và ống nối van côn với họng
Venturie. Với sự hỗ trợ của phần mềm
GAMBIT, không gian 2D của bộ tạo
hỗn hợp được chia lưới như hình 2, bao
gồm 1600 nút.
- Điều kiện biên: Điều kiện biên được
chọn gồm áp suất dư của biogas, áp
suất dư không khí và áp suất dư của
hỗn hợp. Trong phần tính toán cụ thể sau đây, chúng tôi giả sử động cơ 1 xi
lanh, 4 kỳ có dung tích xi lanh 150cm3 và tốc độ động cơ n=8000 vòng/phút.
Với các thông số nêu trên, thời gian động cơ thực hiện một hành trình là
60/16000(s). Lưu lượng hỗn hợp vào xi lanh động cơ theo góc quay trục khuỷu động cơ
được tính theo biểu thức (7). Nếu tính theo giá trị trung bình thì lưu lượng hỗn hợp vào
xi lanh động cơ nêu trên là Qmix= 0,04ηv (m3/s).
Tốc độ hỗn hợp đi ra khỏi Venturie là Vmix=Qmix/(πD2/4). Giả sử hệ số nạp của
động cơ ηv=0,9, với đường kính đầu ra của họng Venturie D=30mm (hình 1), ta tính
được tốc độ trung bình của hỗn hợp đi ra khỏi họng Venturie là Vmix=51m/s.
Áp suất dư trung bình trên đường nạp là 2
mixmixmix V
2
1
pρ= . Lấy giá trung bình
của khối lượng riêng hỗn hợp là ρmix=1,3kg/m3, ta có áp suất dư trung bình ở đầu ra
họng Venturie là pmix=1691Pa.
Tóm lại điều kiện biên sử dụng trong tính toán này là:
pfuel = 200 Pa pair = -100 Pa pmix = -1691 Pa
3. Kết quả tính toán
Trong bài toán 2D sau đây chúng ta giả sử dòng chảy qua bộ tạo hỗn hợp ở dạng
chảy tầng. Nhiên liệu biogas có thành phần thể tích Y=80% CH4, do đó thành phần khối
lượng là X=59,26% CH4. Khối lượng riêng của biogas là ρbiogas=0,96. Từ đó chúng ta có
hệ số k=2,1.
Hình 3 giới thiệu kết quả tính toán tiêu biểu trường tốc độ dòng chảy qua bộ tạo
hỗn hợp tại vị trí van côn thoát hoàn toàn ra khỏi đế van (Xvan=0). Kết quả được biểu
diễn dưới dạng đường đồng mức (hình 3a) và vectơ (hình 3b). Kết quả cho thấy ở hạ lưu
của họng Venturie, vùng tốc độ cao tập trung ở nửa dưới và vùng xoáy được tạo ra ở
nửa trên của ống nạp. Nhiên liệu được kéo theo và hòa trộn với không khí ở vùng xoáy
và đoạn cuối họng Venturie. Ở mặt cắt đầu vào của họng Venturie và đầu vào ống nạp
Hình 2. Chia lưới bộ tạo hỗn hợp
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
92
biogas tốc độ dòng chảy hầu như đồng nhất. Do vậy chúng ta có thể xác định được lưu
lượng của biogas và của không khí đi vào bộ hỗn hợp thông qua tốc độ của chúng ở
đầu vào.
(a)
Hình 3. Kết quả tính toán trường tốc độ dòng chảy qua bộ tạo hỗn hợp
Hình 4. Trường tốc độ dòng chảy trong bộ tạo hỗn hợp ở các vị trí khác nhau của van côn