Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNG

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:24

Thêm vào BST

Báo xấu

5
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNG" được nghiên cứu với mục tiêu: Đánh giá được ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến tính năng kinh tế, kỹ thuật của động cơ CNG thông qua các chế độ vận hành; Cải thiện chất lượng phát thải của động cơ CNG theo hướng giảm phát thải NOx.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNG

MỞ ĐẦU i. Lý do chọn đề tài Tình trạng nóng lên toàn cầu và ô nhiễm không khí đã và đang là một trong những vấn đề lớn nhất thế giới [1]. Cùng với sự phát triển của sản xuất công nghiệp và sự gia tăng không ngừng của các phương tiện vận tải, việc giảm thiểu khí thải nhà kính luôn nhận được rất nhiều sự quan tâm từ chính phủ cũng như các nhà khoa học [2]. Nguồn gây ô nhiễm vô cùng đa dạng trong đó ô nhiễm do sử dụng nhiên liệu hóa thạch có thể coi là một trong những nguồn chính gây độc hại đến sức khỏe con người. Hướng tới mục tiêu “Tăng trưởng xanh, tiến tới nền kinh tế các-bon thấp, làm giàu vốn tự nhiên trở thành xu hướng chủ đạo trong phát triển kinh tế bền vững; giảm phát thải và tăng khả năng hấp thụ khí nhà kính dần trở thành chỉ tiêu bắt buộc và quan trọng trong phát triển kinh tế- xã hội”, ngày 25 tháng 09 năm 2012, Thủ Tướng Chính phủ đã ra Quyết định số 1393/QĐ-TTg, về việc “Phê duyệt chiến lược quốc gia về tăng trưởng xanh”. Nội dung của Quyết định có đề cập vấn đề “Thay đổi cơ cấu nhiên liệu trong công nghiệp và giao thông” [5]. Từ các số liệu nghiên cứu trên có thể thấy rằng phát triển nhiên liệu thay thế phục vụ cho các phương tiện giao thông vận tải là hết sức cần thiết, bởi vì thỏa mãn được các yêu cầu về kiểm soát khí thải và giảm được sự phụ thuộc vào nhiên liệu dầu mỏ. Tuy nhiên, để đảm bảo được những yêu cầu này cần thiết phải có các nghiên cứu cơ bản chuyên sâu. Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNG” sẽ góp phần giải quyết được ô nhiễm không khí do khí thải động cơ đốt trong thải ra trong quá trình làm việc. ii. Mục tiêu của luận án • Mục tiêu chung Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc và khí thải ở động cơ khí thiên nhiên phun trên đường nạp. • Mục tiêu cụ thể − Đánh giá được ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến tính năng kinh tế, kỹ thuật của động cơ CNG thông qua các chế độ vận hành. − Cải thiện chất lượng phát thải của động cơ CNG theo hướng giảm 1
phát thải NOx. iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu − Đối tượng nghiên cứu: Động cơ diesel một xylanh sau khi chuyển đổi thành động cơ phun khí thiên nhiên trên đường ống nạp. − Phạm vi nghiên cứu: + Chuyển đổi hệ thống điều khiển phun nhiên liệu cơ khí sang phun điện tử ở động cơ diesel một xylanh sử dụng nhiên liệu CNG. Đánh giá định lượng ảnh hưởng của một số thông số phun (thời điểm phun, thời gian phun, vị trí đặt vòi phun, áp suất phun nhiên liệu) đến đặc tính làm việc và khí thải của động cơ. + Các nội dung thí nghiệm của luận án được thực hiện trong phạm vi Phòng thí nghiệm động cơ đốt trong, Khoa Cơ khí động lực, Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Vĩnh Long. iv. Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án là kết hợp lý thuyết mô hình hóa với thực nghiệm. Trong đó: − Nghiên cứu lý thuyết làm cơ sở thiết kế hệ thống nhiên liệu điện tử phun khí thiên nhiên trên đường ống nạp và thiết lập các thông số phun cho các chế độ vận hành động cơ CNG. − Nghiên cứu mô phỏng động cơ bằng phần mềm AVL Boost để xem xét ảnh hưởng của các thông số như: Đường kính ống nạp, hệ số dư lượng không khí (λ), thời điểm phun và thời gian phun đến mô men, công suất và khí thải động cơ. − Nghiên cứu thực nghiệm nhằm định lượng hóa và đánh giá ảnh hưởng của áp suất phun khí thiên nhiên đến mô men, công suất và khí thải của động cơ. v. Ý nghĩa khoa học và thực tiến của đề tài: − Ý nghĩa khoa học: Luận án đã khảo sát thành công một số thông số phun (đường kính ống nạp, thời điểm bắt đầu phun, thời gian phun, vị trí đặt vòi phun, áp suất phun nhiên liệu), phương pháp phun đến đặc tính làm việc và khí thải của động cơ CNG phun trên đường nạp. − Ý nghĩa thực tiễn: Với áp suất phun, vị trí đặt vòi phun hợp lý đã xử lý được hiện tượng dòng khí ngược trên đường nạp, nhờ vậy đặc tính làm việc và khí thải của động cơ đã được cải thiện. Đây là cơ sở để phát triển thế hệ động cơ CNG mới đạt được hiệu suất nhiệt cao và khí thải thấp. 2
vi. Các điểm mới của luận án: − Luận án đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng động cơ sử dụng khí thiên nhiên phun trên đường nạp bằng phần mềm AVL Boost và Ansys Fluent để khảo sát ảnh hưởng của một số thông số phun (thời điểm phun, thời gian phun, vị trí đặt vòi phun, áp suất phun nhiên liệu) đến tính năng làm việc và phát thải. − Kế thừa từ nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel S1100 một xylanh thành động cơ khí thiên nhiên của Trần Thanh Tâm về hình dạng của đỉnh piston và vị trí lắp bugi trên nắp máy, vòi phun điều khiển bằng cơ khí,  = 11,5. NCS đã nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô đun điều khiển phun nhiên liệu và đánh lửa, xác định được vị trí đặt vòi phun và áp suất phun tốt nhất để triệt tiêu dòng khí ngược xuất hiện trên đường nạp. Thêm vào đó, luận án đã thiết lập được hệ thống làm mát bằng nước tuần hoàn cưỡng bức, tự động kiểm soát nhiệt độ nước làm mát. Để đảm bảo động cơ làm việc an toàn và giảm thiểu tiếng ồn, tỷ số nén của động cơ đã giảm xuống  = 10; bổ sung thêm hệ thống van giảm áp và ổn định áp suất phun từ 1  5 bar trong suốt quá trình nghiên cứu thực nghiệm. vii. Bố cục của luận án: Thuyết minh của luận án bao gồm các nội dung chính sau: + Mở đầu + Chương 1: Nghiên cứu tổng quan. + Chương 2: Cơ sở lý thuyết và nghiên cứu chuyển đổi động cơ. + Chương 3: Nghiên cứu mô phỏng động cơ. + Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm. + Kết luận chung và hướng phát triển. CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về nhiên liêu thay thế: 1.1.1. Nhiên liệu sinh học (biofuel) 1.1.2. Nhiên liệu hydrogen 1.2. Tổng quan về nhiên liệu khí thiên nhiên: 1.2.1. Đặc tính nhiên liệu khí thiên nhiên: 1.2.2. Nhiên liệu khí thiên nhiên nén (CNG) 1.2.3. Nhiên liệu khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG) 1.3. Các nghiên cứu về động cơ sử dụng khí thiên nhiên nén: 3
1.3.1. Hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG 1.3.2. Động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu 1.3.3. Động cơ CNG chuyển đổi từ động cơ xăng 1.3.4. Động cơ CNG chuyển đổi từ động cơ diesel 1.4. Tổng quan các nghiên cứu về động cơ sử dụng khí thiên nhiên: 1.4.1. Các nghiên cứu ngoài nước S Sahoo và các cộng sự [177] đã nghiên cứu ảnh hưởng của thời điểm phun nhiên liệu đến quá trình cháy và hiệu suất của động cơ CNG – xăng. Thực nghiệm được thực hiện chuyển đổi động cơ bốn xylanh sang sử dụng đồng thời nhiên liệu xăng và CNG. Các kết quả chỉ ra rằng thời điểm phun nhiên liệu có ảnh hưởng đáng kể đến công suất và mô men của động cơ lưỡng nhiên liệu. Công suất và mô men lớn nhất đạt được với thời điểm phun tại 26 độ trước điểm chết trên. PA Harari và cộng sự [179] cũng đã nghiên cứu ảnh hưởng của thời điểm phun và thời gian phun trên một động cơ CNG phun trên đường ống nạp. Động cơ thí nghiệm được cung cấp đồng thời nhiên liệu CNG và diesel với vai trò đánh lửa nén. Kết quả cho thấy, thời điểm và thời gian phun có ảnh hưởng rất lớn đến công suất và suất tiêu hao nhiên liệu. Các thông số hiệu suất đạt được giá trị tối ưu với thời điểm phun 25 độ trước ĐCT và thời gian phun 90 độ góc quay trục khuỷu và phát thải NOx và HC của động cơ cũng được giảm đáng kể. 1.4.2. Các nghiên cứu trong nước Tại Việt Nam hiện nay đã có một số công trình nghiên cứu nhằm thử nghiệm đưa nhiên liệu mới vào sử dụng cho động cơ đốt trong như: Nhiên liệu sinh học, nhiên liệu khí hỏa lỏng, khí đốt tự nhiên... Hầu hết các nghiên cứu bước đầu chủ yếu là thử nghiệm cho các động cơ thương mại sẵn có bằng các giải pháp kỹ thuật như sử dụng lưỡng nhiên liệu (Dual fuel) bằng cách kết hợp giữa các nhiên liệu truyền thống (xăng và diesel) lượng nhiên liệu mới cũng chỉ chiếm một lượng nhỏ so với nhiên liệu truyền thống. Các nghiên cứu cụ thể về động cơ sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên nén (CNG) là rất hạn chế vì rất khó tiếp cận với các nghiên cứu này hoặc các kết quả nghiên cứu về nhiên liệu CNG vẫn chưa được thỏa mãn để làm cơ sở phát triển động cơ nhiên liệu CNG. Một số nghiên cứu đã được tiếp cận phần nào về động cơ sử dụng nhiên liệu CNG có thể liệt kê như sau: Nguyen Danh Chan và Le Hung Duong cũng đã nghiên cứu các dự 4
án sử dụng nhiên liệu CNG cho xe buýt tại Việt Nam và chỉ ra rằng, chi phí cho các phương tiện công cộng sử dụng CNG cao hơn đáng kể so với sử dụng xăng. Tuy nhiên các lợi ích khi giảm chi phí nhiên liệu sử dụng và phát thải môi trường là rất lớn [185]. PGS. TS Hoàng Đình Long đã nghiên cứu thực nghiệm sử dụng nhiên liệu khí nén thiên nhiên trên động cơ CNG [186]. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng động cơ diesel 1 xylanh Kubota SKD80 để cung cấp đồng thời nhiên liệu CNG và diesel với một hệ thống phun nhiên liệu CNG được thêm vào trên đường ống nạp. Các kết quả chỉ ra rằng phát thải NOx có thể giảm trên 50%, lượng khói đen giảm hơn 10 lần. Các kết quả có thể khẳng định rằng nhiên liệu CNG là giải pháp thiết thực cho việc tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải NOx và khói bụi. Trần Thanh Tâm đã “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số kết cấu đến đặc tính làm việc và phát thải của động cơ diesel chuyển đổi sử dụng khí thiên nhiên nén (CNG)” sử dụng vòi phun điều khiển bằng cơ khí với áp phun 1 bar [189]. Các kết quả đã chỉ ra rằng, ảnh hưởng của tỷ số nén, hình dạng đỉnh piston đến thời gian cháy và phát thải của động cơ là rất lớn. Các kết quả thu được từ thực nghiệm đã chứng minh rằng, sự thay đổi hình dạng buồng cháy trên đỉnh piston đã rút ngắn được thời gian cháy ở động cơ nghiên cứu. Kết cấu hình học của đỉnh piston đã gián tiếp góp phần khắc phục được nhược điểm về tốc độ cháy chậm ở nhiên liệu khí thiên nhiên. 1.5. Kết luận chương 1 Qua nghiên cứu tổng quan về nhiên liệu và động cơ sử dụng khí thiên nhiên ở trong và ngoài nước, các kết luận rút ra của chương được trình bày như sau: + Chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ sử dụng khí thiên nhiên sẽ hiệu quả hơn so với động cơ xăng, bởi vì tận dụng được tính năng động học của dòng khí nạp đi vào trong xylanh của động cơ. Không những thế tốc độ cháy được tăng lên và tổn thất nhiệt truyền cho thành buồng cháy giảm đi đáng kể nếu sử dụng hình dạng đỉnh piston và tỷ số nén phù hợp. + Hướng đến mục tiêu giảm phát thải khí Mê-tan đến năm 2030 của Chính phủ nước ta, nghiên cứu chuyển đổi từ động cơ diesel thành động cơ khí thiên nhiên sẽ là một trong những bước đi đầu tiên để đạt được mục tiêu đó. Giải pháp được cho là hiệu quả nhất đó là nghiên cứu kiểm soát lượng nhiên liệu cung cấp thông qua một số thông số 5
phun nhiên liệu CNG trên đường nạp. Để đảm bảo cho động cơ sau chuyển đổi làm việc an toàn trong suốt quá trình làm việc, động cơ diesel nguyên bản nên giảm tỷ số nén xuống  = 10, hình dạng đỉnh piston được kế thừa từ nghiên cứu của Trần Thanh Tâm, ĐHBK Hà Nội. + Để làm rõ ảnh hưởng của thông số phun nhiên liệu trên đường ống nạp đến đặc tính làm việc của động cơ khí thiên nhiên cần tiến hành xây dựng cơ sở lý thuyết và nghiên cứu chuyển đổi động cơ. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGHIÊN CỨU CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ 2.1. Cơ sở hình thành hỗn hợp: 2.2. Cơ sở lý thuyết quá trình cháy 2.2.1. Các giả thuyết Định luật 1 của nhiệt động học. 2.2.2. Mô hình cháy không chiều Nhiệt lượng mà nhiên liệu tạo ra do quá trình đốt cháy có thể được tính như sau: 2.2.3. Khối lượng hỗn hợp đã cháy Mô hình toán học của Rassweiler và Withrow [190] được sử dụng để ước tính các đường cong của phần khối lượng được đốt cháy từ dữ liệu thể tích và áp suất trong xi lanh. 2.2.4. Mô hình cháy một vùng Hệ số truyền nhiệt tức thời được điều chỉnh từ Woschni [191] được cho bởi phương trình như sau: 2.3. Khái quát về mô phỏng: 2.3.1. Phần mềm AVL Boost 2.3.2. Phần mềm Ansys Fluent 2.4. Nghiên cứu chuyển đổi động cơ: 2.4.1. Lựa chọn động cơ NCS đã chọn động cơ diesel một xylanh S1100 do Trung Quốc sản xuất, các thông số tại bảng 2.1. 6
Bảng 2.1. Thông số kỹ thuật của động cơ S1100 Thông tin kỹ thuật Đơn vị Giá trị Kiểu động cơ - 4 kỳ, 1 xylanh nằm ngang Đường kính xylanh mm 103 Hành trình piston mm 115 Thể tích công tác Lít 0,903 Công suất (kW (mã lực)/ 11,03 (15)/2200 vòng/phút) Tỷ số nén - 20:1 Nhiên liệu sử dụng - Dầu diesel Dầu bôi trơn - Nhớt 30 (SAE30, 20, 10W-30) 2.4.2. Nội dung kế thừa từ nghiên cứu của Trần Thanh Tâm Kết cấu buồng cháy, hình dạng của đỉnh piston và vị trí lắp bugi trên nắp máy; Nghiên cứu về góc đánh lửa ban đầu (15 độ trước ĐCT) của động cơ sau chuyển đổi sử dụng vòi phun điều khiển bằng cơ khí; Ống nạp, bướm ga và hệ thống cung cấp nhiên liệu khí thiên nhiên với vòi phun điều khiển bằng cơ khí; Phương pháp tính lambda từ nhiên liệu đo được và lượng khí nạp đo. 2.4.3. Nội dung phát triển trong chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu CNG 2.4.3.1. Lắp đặt hệ thống đánh lửa và hệ thống điều khiển phun bằng điện + Lắp cảm biến vị trí trục cam (CMP), cảm biến vị trí trục khuỷu (CKP), Cảm biến lượng khí nạp (MAF) và cảm biến vị trí bướm ga (TPS) + Thiết kế chế tạo bộ điều khiển điện tử Trong quá trình động cơ làm việc, bộ điều khiển điều khiển nhận các tín hiệu từ các cảm biến (CMP, CKP, MAF, TPS…) xử lý, gửi tín hiệu điều khiển đánh lửa (IGT) đến bô bin đánh lửa và tín hiệu điều khiển (IGF) đến vòi phun điện. Kết nối với máy tính giao tiếp người dùng (MMI – Man Machine Interface) để hiển thị và điều khiển thời điểm phun, thời gian phun, góc đánh lửa sớm. + Lắp đặt vòi phun điều khiển bằng điện: Sử dụng vòi phun khí Hana H2100 có điện áp hoạt động 12V DC, áp suất làm việc từ 15 7
bar. Hình 2.6. Bộ điều khiển điện tử Hình 2.7. Ống nạp và vòi phun điều khiển bằng điện + Sử dụng bô bin tích hợp IC đánh lửa (dùng trong hệ thống đánh lửa trực tiếp trên ô tô). 2.4.3.2. Lắp đặt hệ thống nhiên liệu: có thể điều chỉnh áp suất 150 bar xuống áp suất cung cấp từ 110 bar. 2.4.3.3. Giảm tỉ số nén động cơ + Kế thừa kích thước và hình dạng piston từ nghiên cứu của Trần Thanh Tâm. Tuy nhiên để đảm bảo cho động cơ làm việc an toàn tránh xảy ra hiện tượng cháy kích nổ trong quá trình vận hành thử nghiệm, NCS điều chỉnh giảm tỉ số nén  = 10 cho động cơ sau chuyển đổi bằng cách tăng chiều dày phần đệm nắp máy. 2.4.3.4. Lắp ghép hệ thống lấy mẫu và phân tích khí thải 2.4.3.5. Chuyển đổi thành hệ thống khởi động điện: Sử dụng động cơ điện khởi động DC 12V – 2,5kW, tỉ số truyền hệ thống khởi động 12,8. 2.4.3.6. Chuyển đổi thành hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức có kiểm soát và điều khiển quạt làm mát bằng điện. 2.5. Xây dựng đặc tính làm việc của động cơ sau chuyển đổi 2.5.1. Thiết bị thí nghiệm 2.5.1.1. Băng thử MP 100S 2.5.1.2. Thiết bị phân tích khí thải KEG – 500 CE (Hàn Quốc) 2.5.2. Phương pháp thí nghiệm Hình 2.21 thể hiện bố trí các trang thiết bị thí nghiệm tổng thể, các thiết bị chính sử dụng trong thí nghiệm. Mục đích của thí nghiệm là xác định đặc tính tốc độ của động cơ sau khi chuyển đổi và làm số liệu đầu vào để hiệu chuẩn mô hình động cơ mô phỏng. Để đạt được mục đích này thí nghiệm sẽ được tiến hành ở các điều kiện như sau: 8
+ Tốc độ động cơ thay đổi từ 10002200 vòng/phút, n=200 vòng/phút. Sự thay đổi tốc độ của động cơ được dừng lại khi mô men (Me) có xu hướng giảm. + Lambda trong suốt quá trình thử nghiệm được duy trì ở giá trị λ = 1 để giữ cho điều kiện cháy của hỗn hợp gần sát với lý thuyết. + Thời điểm đánh lửa cũng được thay đổi để xác định giá trị mô men lớn nhất ứng với mỗi tốc độ động cơ, bước thay đổi là ∆IT = 2 độ. + Nhiệt độ của hỗn hợp nạp trước khi đi vào động cơ và nhiệt độ nước làm mát được kiểm soát trong khoảng từ 303 K đến 353 K trong suốt quá trình thí nghiệm. Hình 2.21. Sơ đồ bố trí thiết bị phục vụ thí nghiệm 2.5.3. Kết quả thí nghiệm Hình 2.23 trình bày sự thay đổi của mô men (Me), công suất (Ne) và lượng nhiên liệu cấp (Ge) theo tốc độ động cơ. Me của động cơ có xu hướng tăng trong khoảng tốc độ từ n=1000 vòng/phút đến n=1400vòng/phút. Nhưng khi n tăng hơn 1400 vòng/phút mô men của động cơ có xu hướng giảm mặc dù Ge vẫn tăng. Góc đánh lửa được điều chỉnh để đạt mô men lớn nhất lần lượt là IT = 140 (1000 vòng/phút), 140 (1200 vòng/phút), 160 (1400 vòng/phút), 180 (1600 vòng/phút), và 200 (1800 vòng/phút, 2000 vòng/phút và 2200 vòng/phút) trước điểm chết trên (BTDC) như trên hình vẽ. Các kết quả khí thải thể hiện trên hình 2.24 cho thấy xu hướng thay đổi của cả NOx và HC tương đối giống nhau khi tốc độ động cơ tăng từ 10002000 vòng/phút. NOx tăng dần và đạt giá trị lớn nhất tại 1400 vòng/phút và có xu hướng giảm khi tốc độ động cơ trên 9
1600 vòng/phút. Hình 2.23. Kết quả thí nghiệm ban đầu Hình 2.24. Kết quả thí nghiệm của NOx của động cơ sau khi chuyển đổi. và HC Hình 2.25 thể hiện sự thay đổi của thành phần khí thải CO và CO2 theo tốc độ động cơ. Thành phần khí thải CO và CO2 đều có xu hướng tăng khi tăng tốc độ động cơ, bởi vì lượng nhiên liệu tăng nhanh và hệ số nạp giảm. Hình 2.25. Kết quả thí nghiệm của CO và CO2 2.6. Kết luận chương 2: “Nghiên cứu chuyển đổi động cơ và cơ sở lý thuyết hình thành hỗn hợp và cháy” đóng vai trò rất quan trọng trong nghiên cứu này. Mục tiêu của việc chuyển đổi động cơ là làm đối tượng phục vụ cho nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm. Các kết luận của chương được tóm tắt như sau: + Động cơ diesel một xylanh S1100 đã được chuyển đổi thành động cơ nghiên cứu một xylanh phun nhiên liệu khí thiên nhiên trên đường ống nạp có tỉ số nén =10. Hệ thống cấp khí thiên nhiên ban đầu là phun điều khiển bằng cơ khí, các kết quả thử nghiệm thu được từ động cơ nghiên cứu và hệ thống băng thử sẽ là thông số cơ bản để hiệu chuẩn động cơ mô phỏng. + Cơ sở lý thuyết hình thành hỗn hợp được xây dựng dựa trên mối quan hệ giữa các thông số cơ bản quan trọng như: hình dạng của đường ống nạp, vị trí đặt vòi phun nhiên liệu, lưu khối của dòng khí nạp, áp suất của vòi phun nhiên liệu, thời điểm bắt đầu phun và khoảng thời gian phun, sự phân phối nhiên liệu trong đường ống nạp. + Cơ sở lý thuyết của mô hình cháy cưỡng bức được dựa vào định luật bảo toàn khối lượng, định luật thứ nhất của nhiệt động học và phương 10
trình trạng thái khí lý tưởng. Để mô hình cháy cưỡng bức sát với thực tế, các mô hình con đã được xây dựng chủ yếu là giải quyết bài toán về năng lượng (K-k) mà không xem xét đến ảnh hưởng trong không gian. + Để đánh giá và giải thích được sự ảnh hưởng của các điều kiện thực tế đến quá trình cháy ở động cơ cháy cưỡng bức, cần thiết phải xây dựng được các công cụ tính toán từ các thông số vật lý đo được trong quá trình thực nghiệm. Từ số liệu thực nghiệm đo được áp suất trong xylanh động cơ theo góc quay trục khuỷu, bằng các phương trình toán học kết hợp với các giả thuyết có thể làm sáng tỏ hơn kết quả thực nghiệm. Xây dựng mô hình toán của động cơ đốt trong kết hợp với các số liệu thực nghiệm là một giải pháp đơn giản và hiệu quả, góp phần quan trọng thực hiện nghiên cứu phát triển và kiểm soát khí thải ở động cơ đốt trong. + Các kết quả thu được từ thực nghiệm ở điều kiện phun nhiên liệu trên đường ống nạp điều khiển cơ khí chính là thông đặc tính ban đầu của động cơ nghiên cứu sau khi chuyển đổi, các thông số này sẽ là số liệu đầu vào để hiệu chuẩn động cơ mô phỏng, để hướng đến các kết quả nghiên cứu mô phỏng ở chương sau. CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG 3.1. Mục đích Trong nghiên cứu này sẽ sử dụng hai phần mềm chuyên dụng để mô phỏng động cơ nghiên cứu, đó là AVL Boost và Ansys Fluent với mục tiêu cụ thể khác nhau. + Phần mềm AVL Boost: Mô phỏng động cơ đốt trong chuyên dụng, mục đích của việc sử dụng phần mềm này là tập trung vào nghiên cứu và phân tích các quá trình, các kết quả thu được từ động cơ mô phỏng theo quan điểm của Nhiệt động học. Mô phỏng bằng phần mềm AVL Boost khảo sát ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun, thời gian phun, lambda và góc đánh lửa sớm đến mô men, công suất và phát thải của động cơ theo tốc độ động cơ và độ mở bướm ga. + Phần mềm Ansys Fluent: Nghiên cứu dòng chảy và sự hòa trộn giữa dòng khí nạp trong đường ống và nhiên liệu khí thiên nhiên được phun vào bên đường ống nạp trong trường hợp dòng khí không có trao đổi nhiệt chỉ là dòng vật lý thông thường (Cool flow). Mô phỏng bằng phần mềm Ansys Fluent sẽ xác định vị trí, góc đặt vòi phun và áp suất phun sao cho dòng khí nạp và dòng nhiên liệu đi ra khỏi vòi phun không xảy ra hiện tượng giảm tốc độ dòng khí đi vào trong xylanh và khả năng nhiên liệu dễ dàng tiếp cận được với không khí. 3.2. Xây dựng mô hình động cơ nghiên cứu: 11
3.2.1. Nghiên cứu động cơ mô phỏng bằng phần mềm AVL Boost Hình 3.1 mô hình động cơ một xy lanh. 3.2.2. Xây dựng mô hình bằng Ansys Fluent Hình 3.7 mô hình mô phỏng đường ống nạp. 3.3. Hiệu chuẩn và điều khiển mô hình: 3.3.1. Mô hình nghiên cứu trên AVL Boost: Mục đích chính của việc nghiên cứu mô phỏng trong luận án là định hướng cho việc nghiên cứu thực nghiệm động cơ diesel S1100 chuyển đổi sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên. Do đó, việc điều chỉnh mô hình động cơ trên phần mềm AVL Boost được điều chỉnh thông qua điều chỉnh các thông số của mô hình cháy, mô hình truyền nhiệt và các thông số phun để đảm bảo kết quả tính toán mô phỏng phù hợp với kết quả thực nghiệm trên động cơ thí nghiệm. Hình 3.1. Động cơ một xylanh mô phỏng Hình 3.7. Mô phỏng đường ống nạp bằng AVL Boost bằng phần mềm Ansys Fluent Kết quả mô hình sau khi hiệu chỉnh đạt được sai số giữa mô phỏng và thực nghiệm nhỏ hơn 5%. Lúc đó mô hình được coi là đủ độ tin cậy để sử dụng tính toán mô phỏng. (Hình 3.22). Kết quả mô phỏng và thực nghiệm ở cả 2 loại khí thải là NOx và HC nằm trong khoảng 25% trong toàn bộ dải tốc độ động cơ. (Hình 3.23). Hình 3.22. Kết quả hiệu chuẩn mô hình Hình 3.23. Hiệu chuẩn mô hình theo khí thải động cơ 3.3.2. Mô hình nghiên cứu trên Ansys Fluent: 12
Mục đích: Để xem xét ảnh hưởng của vị trí đặt vòi phun và áp suất phun đến chất lượng hòa trộn của hỗn hợp; Điều kiện nghiên cứu được tiến hành như sau: + Khoảng cách từ tâm vòi phun đến cửa nạp nắp máy (H) sẽ được dịch chuyển từ 20  150 mm, nhiên liệu được phun ra khi xupap nạp mở và bướm ga mở 100%. + Góc nghiêng hợp bởi đường tâm vòi phun và đường tâm ống nạp được điều chỉnh ở các góc α = 300, 450, 600 và 900. + Áp suất phun nhiên liệu đến khả năng hòa trộn hỗn hợp, áp suất phun được điều chỉnh từ 1 ÷ 5 bar. (Hình 3.7) 3.4. Ảnh hưởng của thông số phun 3.4.1. Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun + Các kết quả mô phỏng trên AVL Boost cho thấy thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu đến mô men và thành phần khí thải thay đổi không đáng kể khi thay đổi độ mở bướm ga và tốc độ động cơ. Hình 3.26. Ảnh hưởng của thời điểm Hình 3.29. Ảnh hưởng của thời điểm bắt phun đến mô men động cơ theo độ mở đầu phun tới phát thải NOx theo độ mở bướm ga bướm ga Hình 3.30. Ảnh hưởng của thời điểm Hình 3.31. Ảnh hưởng của thời điểm bắt phun đến mô men động cơ tại các tốc độ đầu phun tới phát thải NOx tại các tốc động cơ khác nhau độ động cơ khác nhau 3.4.2. Ảnh hưởng của lambda (): + Mô phỏng trên AVL Boost khi mở hoàn toàn bướm ga, tốc độ động cơ n=10002200 vòng/phút, =0,91,1 cho thấy  và n có ảnh hưởng lớn đến mô men. Với =0,9 mô men đạt Memax=58,48 Nm tại 13
1.400 vòng/phút cao hơn so với Me = 57,31Nm khi =1. Hình 3.34. Ảnh hưởng của hệ số dư Hình 3.35. Ảnh hưởng thời gian phun lượng không khí đến mô men đến mô men 3.4.3. Ảnh hưởng của thời gian phun: Hình 3.35 cho thấy mô men tăng dần khi tăng thời gian phun (tp) và đạt giá trị lớn nhất tại tp=0,021s. Từ kết quả thu được có thể thấy rằng tp có ảnh hưởng lớn đến mô men và công suất động cơ. Hình 3.42. Ảnh hưởng của đường kính Hình 3.44. Ảnh hưởng của kích thước ống nạp tới mô men theo tốc độ động cơ đường ống nạp tới công suất động cơ 3.4.4. Ảnh hưởng của đường kính ống nạp (Dn) Mô phỏng trên AVL Boost khảo sát Dn=3050mm, D=5mm. Kết quả cho thấy khi tăng Dn tới một mức nhất định sẽ cải thiện mô men, công suất, nâng cao hiệu suất và đặc tính làm việc của động cơ. Tại Dn=50mm mô men Memax=57,35Nm tại n=1400 vòng/phút (hình 3.42) Hình 3.48. Ảnh hưởng của vị trí vòi phun Hình 3.50. Ảnh hưởng của vị trí vòi đến vận tốc trung bình của hỗn hợp phun đến động năng rối của hỗn hợp 3.4.5. Ảnh hưởng của vị trí đặt vòi phun 14
Mô phỏng trên Ansys Fluent khi áp suất phun pf=1bar, góc nghiêng α giữa đường tâm vòi phun và đường tâm ống nạp thay đổi (α = 30; 45; 60 và 90 độ) và khoảng cách từ tâm vòi phun đến cửa nạp H lần lượt là 20mm, 50mm, 100mm và 150mm. Kết quả khi góc α=45 độ và H=100mm vận tốc trung bình hỗn hợp đạt Vmmax=25,02 m/s và động năng rối của hỗn hợp nhiên liệu – không khí tốt hơn so với các trường hợp còn lại(hình 3.48 và 3.50), khả năng hòa trộn của hỗn hợp được cải thiện cũng như hệ số nạp được tăng lên, từ đó giúp tăng mô men và công suất của động cơ. Hình 3.51. Ảnh hưởng của áp suất phun Hình 3.52. Ảnh hưởng của áp suất phun đến lưu lượng phun nhiên liệu đến vận tốc của dòng nhiên liệu trên đường nạp 3.4.6. Ảnh hưởng của áp suất phun (pf): Kết quả mô phỏng trên Ansys Fluent khi vòi phun cố định tại góc nghiêng α = 450, H = 100mm, pf = 1  5 bar. (Hình 3.51, 3.52 và 3.54). Khi tăng pf: Lưu lượng nhiên liệu, vận tốc, động năng rối của hỗn hợp đều tăng. Hình 3.54. Ảnh hưởng của áp suất phun Hình 3.55. Mô men thay đổi theo tốc độ đến động năng rối của hỗn hợp động cơ 3.5. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm Khi tốc độ động cơ tăng cần phải điều chỉnh thời điểm đánh lửa sớm hơn để được mô men lớn nhất. 3.6. Kết luận chương 3: Từ các kết quả thu được ở hai mô hình mô phỏng (AVL Boost) và ba 15
chiều (Ansys Fluent) có thể rút ra các kết luận tóm tắt như sau: + Với mỗi vị trí mở của bướm ga, ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun đến mô men và khí thải của động cơ là không đáng kể. + Lambda tỉ lệ nghịch với thời gian phun, điều chỉnh lambda trong khoảng từ λ = 0,9 đến λ = 1,1, mô men động cơ tăng rất nhanh khi tăng thời gian phun nhiên liệu. Mô men lớn nhất tăng 14% khi lambda giảm từ λ = 1,1 về λ = 0,9. + Đường kính ống nạp Dn ảnh hưởng nhiều đến mô men của động cơ, từ nghiên cứu mô phỏng AVL Boost đã xác định sơ bộ được Dn=50 mm cải thiện đáng kể hệ số nạp ở vùng tốc độ động cơ lớn, đồng thời đạt được mô men lớn nhất và khí thải thấp. Tại tốc độ động cơ 2200 vòng/phút, mô men tăng 39% khi tăng đường kính ống nạp từ Dn = 30 mm lên Dn = 50 mm. Đây là thông số quan trọng phục vụ cho nghiên cứu ở mô hình không gian ba chiều (3D). + Nghiên cứu mô hình ở Ansys Fluent đã chỉ ra rằng áp suất phun không chỉ ảnh hưởng rất lớn đến lượng nhiên liệu nạp vào trong xy lanh động cơ mà còn ảnh hưởng rất lớn đến động năng rối của dòng môi chất trên đường ống nạp. Khi tăng áp suất phun nhiên liệu từ 1 bar lên 5 bar, động năng rối tăng 98%. Điều này có nghĩa là khả năng hòa trộn của hỗn hợp được bắt đầu ngay trên đường ống nạp. + Vị trí đặt vòi phun có ảnh hưởng rất lớn đến động năng rối của dòng khí nạp, vòi phun khí thiên nhiên được đặt xa xúp-páp nạp sẽ tăng được vận tốc của dòng khí nạp và hạn chế sự xuất hiện của dòng khí ngược do chính hiện tượng đóng mở của xúp-páp gây ra khi động cơ làm việc ở tốc độ cao. Vận tốc trung bình của dòng khí nạp trước khi đi vào trong xylanh tăng 8,5%. + Tăng áp suất phun nhiên liệu đến pf = 4 bar sẽ làm giảm ảnh hưởng của áp suất ngược trên đường nạp của động cơ, vì vậy hệ số nạp của động cơ được cải thiện đáng kể. Tuy nhiên, nếu tăng áp suất phun lớn hơn sẽ góp phần làm tăng giá trị của áp suất ngược trên đường nạp. Thông số tối ưu được lựa chọn trong nghiên cứu mô hình Ansys Fluent dành cho vị trí đặt vòi phun nhiên liệu là h = 100mm, α=45 độ, pf = 4 bar. + Góc đánh lửa thay đổi theo tốc độ động cơ, khi tốc độ động cơ tăng cần phải điều chỉnh thời điểm đánh lửa sớm hơn để được mô men lớn nhất. Tuy nhiên, góc đánh lửa tối ưu để đạt được đồng thời mô men lớn và khí thải thấp nên điều chỉnh không được vượt quá 200 trước điểm chết trên. + Bằng sự kết hợp các số liệu thu được từ nghiên cứu mô phỏng động 16
cơ trên AVL Boost và Ansys Fluent đã thiết lập được bộ thông số phục vụ cho nghiên cứu thực nghiệm như: Lựa chọn vòi phun nhiên liệu điều khiển bằng điện, thiết kế bộ điều khiển phun nhiên liệu và đánh lửa. CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1. Mục đích + Xác định mô men (Me), công suất có ích (Ne), khí thải động cơ chuyển đổi chạy bằng khí thiên nhiên phun trên đường nạp (CNG) tại các áp suất phun, phương pháp phun theo tốc độ động cơ. + So sánh ảnh hưởng của các giải pháp phun khí thiên nhiên trên đường nạp đến tính năng làm việc và khí thải động cơ, đánh giá giữa kết quả mô phỏng và kết quả đo thực nghiệm 4.2. Lựa chọn vòi phun điều khiển bằng điện: + Để chọn vòi phun nhiên liệu cho động cơ thực tế, mô phỏng để xác định lưu lượng nhiên liệu phun của động cơ ở tốc độ động cơ thay đổi từ 1.000÷2.200 vòng/phút. Tỉ số nén ε=10, λ=1, áp suất phun nhiên liệu được giữ pf=const. Hình 4.1. lưu lượng đạt 84,2 lít/phút tại tốc độ 2200 vòng/phút. Từ kết quả trên, ta lựa chọn vòi phun H2100 với các thông số, và đặc tính bảng 4.2. + Sau khi lựa chọn vòi phun H2100, tiến hành chạy thực nghiệm với các điều kiện giống với mô phỏng trước đó. Từ các kết quả (Hình 4.1) so sánh trên cho thấy, lượng nhiên liệu cấp vào bên trong động cơ giữa mô phỏng và thực nghiệm có sự thay đổi tương đối giống nhau, Từ kết quả trên cho thấy vòi phun khí H2100 phù hợp để tiến hành các thí nghiệm trong nghiên cứu này. 4.3. Ảnh hưởng của áp suất phun điều khiển bằng cơ khí đến chất lượng làm việc của động cơ 4.3.1. Ảnh hưởng của áp suất phun đến mô men và công suất: Hình 4.3 và 4.4 biểu diễn mối quan hệ giữa mô men, công suất và số vòng quay trục khuỷu với áp suất phun 3, 4 và 5 bar cho thấy khi tăng áp suất phun từ 3 bar lên 5 bar giúp cải thiện mô men của động cơ tại tốc độ thấp và tăng được công suất động cơ khi tăng số vòng quay. 17
Hình 4.3. Ảnh hưởng của áp suất phun Hình 4.4. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến mô men động cơ nhiên liệu đến công suất của động cơ 4.3.2. Ảnh hưởng áp suất phun đến phát thải của động cơ: Hình 4.5. Ảnh hưởng của áp suất phun Hình 4.6. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến phát thải CO nhiên liệu đến phát thải HC Hình 4.5 biểu diễn ảnh hưởng của áp suất phun đến phát thải khí CO. Áp suất phun 5 bar, lượng phát thải CO đạt giá trị lớn nhất là 1,54% tại 1000 vòng/phút, giá trị thấp nhất là 0,05% tại 2000 vòng/phút. Trong khi đó, với áp suất phun 3 bar thì lượng phát thải tại 1000 vòng/ phút chỉ là 1,2% và 2000 vòng/ phút là 0,09%. Hình 4.6 biểu diễn ảnh hưởng của áp suất phun đến phát thải khí HC. Cùng một tốc độ thì trường hợp áp suất phun 5 bar luôn cho lượng phát thải HC cao hơn so với 4 và 3 bar. Tại tốc độ động cơ 1000 vòng/phút, động cơ hoạt động với áp suất phun nhiên liệu 5 bar cho lượng phát thải HC là 150 ppm, trong khi với 4 bar giá trị phát thải HC là 115 ppm và 3 bar chỉ là 90 ppm. Tăng áp suất phun dẫn đến lượng phát thải khí HC tăng. Hình 4.8. Ảnh hưởng của áp suất phun Hình 4.7. Ảnh hưởng của áp suất phun đến lượng nhiên liệu cung cấp tại các nhiên liệu đến phát thải NOx tốc độ động cơ khác nhau 18
Hình 4.7 biểu diễn ảnh hưởng của áp suất phun đến phát thải khí NOx. Khi tốc độ động cơ tăng từ 1000 vòng/phút đến 1200 vòng/phút thì lượng phát thải NOx đo được sẽ tăng lên, sau đó giảm dần khi tăng tốc độ động cơ. Tại cùng một tốc độ, lượng phát thải NOx giảm khi áp suất phun tăng. Cụ thể, áp suất phun 3 bar tại tốc độ 1200 vòng/phút, lượng phát thải này đạt giá trị lớn nhất là 750 ppm, trong khi đó với áp suất phun 5 bar giá trị này là 587 ppm, thấp hơn 21,7%. 4.4. Ảnh hưởng của áp suất phun điều khiển bằng điện đến chất lượng làm việc của động cơ 4.4.1. Ảnh hưởng của áp suất phun điều khiển bằng điện đến lượng nhiên liệu cung cấp Hình 4.8 biểu diễn kết quả thực nghiệm thể hiện mối quan hệ giữa lưu lượng nhiên liệu khí thiên nhiên cung cấp và áp suất phun trong dải tốc độ từ 10002000 vòng/phút. Ở cùng một tốc độ động cơ như nhau nhưng tăng áp suất phun nhiên liệu sẽ tăng được lượng nhiên liệu cấp vào trong xylanh. Mặt khác với tốc độ động cơ cao hơn, lượng nhiên liệu cung cấp cũng cao hơn trong cả ba điều kiện áp suất phun. Có thể kết luận rằng áp suất phun ảnh hưởng nhiều đến tốc độ động cơ và rất lớn đến lượng nhiên liệu cung cấp. Tăng áp suất phun và tốc độ động cơ sẽ làm tăng lượng nhiên liệu cung cấp và từ đó mở ra khả năng tăng được công suất của động cơ. 4.4.2. Ảnh hưởng của áp suất phun điều khiển bằng điện đến công suất và mô men động cơ Hình 4.10. Ảnh hưởng của áp suất phun Hình 4.11. Ảnh hưởng của áp suất phun đến công suất của động cơ tại các tốc độ đến mô men của động cơ tại các tốc độ động cơ khác nhau động cơ khác nhau Hình 4.10 và Hình 4.11 thể hiện sự ảnh hưởng của áp suất phun đến công suất và mô men của động cơ tại các tốc độ khác nhau. Dễ dàng nhận thấy ảnh hưởng của áp suất phun đến Me và Ne khá lớn, trong khoảng n = 1000  2000 vòng/phút xu hướng thay đổi của Me và Ne là giống nhau. Tại mỗi tốc độ động cơ, áp suất phun lớn sơn sẽ cho cả M e 19
và Ne lớn hơn. Sự khác biệt về giá trị của Me và Ne chủ yếu là do lưu lượng nhiên liệu cấp tăng được ở cùng điều kiện làm việc như nhau. Từ những phân tích trên, ta có thể kết luận rằng áp suất phun có ảnh hưởng lớn tới công suất và mô men của động cơ. Tăng áp suất phun sẽ giúp cải thiện công suất và mô men của động cơ và giúp động cơ phát ra công suất lớn hơn ngay tại tốc độ thấp. 4.4.3. Ảnh hưởng của áp suất phun điều khiển bằng điện đến khí thải Hình 4.12. Ảnh hưởng của áp suất phun Hình 4.13. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến lượng phát thải CO nhiên liệu đến lượng phát thải HC Hình 4.12, 4.13 và 4.14 trình bày kết đo quả lượng khí thải CO, HC và NOx từ thực nghiệm khi cho động cơ hoạt động với các tốc độ khác nhau ở áp suất phun 3, 4 và 5 bar. + Lượng khí thải CO và HC cùng giảm khi tăng tốc độ động cơ sẽ là ảnh hưởng đến thành phần khí thải NOx, lượng khí thải NOx ở áp suất phun 5 bar là cao hơn so với 3 và 4 bar. + Tăng áp suất phun sẽ giúp cải thiện công suất và mô men của động cơ và giúp động cơ phát ra công suất lớn hơn ngay tại tốc độ thấp, cùng với đó giúp giảm được lượng khí thải CO và HC. + Tăng áp suất phun sẽ giúp cải thiện công suất và mô men của động cơ và giúp động cơ phát ra công suất lớn hơn ngay tại tốc độ thấp, cùng với đó giúp giảm được lượng khí thải CO và HC. 4.5. So sánh ảnh hưởng của giải pháp phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc của động cơ: Hình 4.16 và 4.17 kết quả thực nghiệm với giải pháp phun điều khiển cơ khí và phun điều khiển bằng điện. Khi phun điều khiển cơ khí cho mô men Memax =59,5 Nm tại 1000 vòng/phút, cao hơn so với giá trị tại đó khi phun điều khiển bằng điện Memax = 58,5 Nm tương ứng khoảng 20