Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: 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)

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

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận án "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)" phân tích, đánh giá ảnh hưởng của một số thông số kết cấu (tỷ số nén, hình dạng buồng cháy) đến thời gian cháy và phát thải của động cơ sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên chuyển đổi từ động cơ diesel nguyên bản.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: 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)

MỞ ĐẦU I. Lý do chọn đề tài Cùng với sự tăng trưởng kinh tế toàn cầu thì nhu cầu sử dụng năng lượng nói chung và năng lượng hóa thạch nói riêng ngày càng gia tăng, do đó để đảm bảo an ninh nguồn năng lượng, hạn chế phát thải các chất gây ô nhiễm môi trường do sử dụng nhiên liệu hoá thạch là thách thức cho mọi quốc gia. Việt Nam, là một nước đang phát triển, vì vậy những vấn đề thách thức trên đòi hỏi Đảng, Nhà nước cần có những chủ trương, chính sách phù hợp theo từng giai đoạn. Để giảm thiểu ô nhiễm môi trường và đảm bảo an ninh nguồn năng lượng trong giai đoạn hiện nay cần sử dụng nhiên liệu thay thế cho xăng, diesel. Khí thiên nhiên được biết đến như là một nhiên liệu sạch đã được khai thác và sử dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống, xã hội như: làm nhiên liệu lò đốt trong sản xuất công nghiệp, nhiên liệu cho động cơ ô tô,... Trong lĩnh vực giao thông vận tải, việc sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên đã và đang được ứng dụng trên xe buýt ở Thành phố Hồ Chí Minh, các tỉnh phía nam và đến năm 2018 đã triển khai mở rộng trên một số tuyến ở Hà Nội. Tuy nhiên, do việc xây dựng, lắp đặt các trạm cung cấp nhiên liệu, sản xuất, lắp ráp ô tô sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên gặp nhiều khó khăn trở ngại. Một trong những giải pháp để thúc đẩy nhu cầu sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên thay thế cho nhiên liệu truyền thống là chuyển đổi động cơ xăng, diesel thành động cơ sử dụng nhiên liệu khí. Nhiên liệu khí thiên nhiên, có nhiều tính chất khác so với nhiên liệu lỏng truyền thống nên khi chuyển đổi động cơ cần phải thay đổi một số đặc điểm kết cấu, mới phát huy được tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ chuyển đổi. Phương án chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên ở nước ta có nhiều lợi ích về kinh tế, ý nghĩa khoa học và thực tiễn như: động cơ diesel ở Việt Nam đã có nhiều cơ sở sản xuất, kinh doanh; giá thành rẻ, nhu cầu sử dụng cao, phụ tùng thay thế đa dạng và có nhiều sự lựa chọn. Đồng thời chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên cũng sẽ góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường và đảm bảo nguồn an ninh năng lượng. Xuất phát từ những phân tích trên, việc thực hiện “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)” để nâng cao hiệu quả làm việc của động cơ chuyển đổi và phù hợp với thực tiễn ở nước ta là lý do nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài. II. Mục tiêu của đề tài Phân tích, đánh giá ảnh hưởng của một số thông số kết cấu (tỷ số nén, hình dạng buồng cháy) đến thời gian cháy và phát thải của động cơ sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên chuyển đổi từ động cơ diesel nguyên bản 1
Các nhiệm vụ nghiên cứu  Nghiên cứu tổng quan thông qua các tài liệu và các công trình khoa học đã được công bố để: phân tích, đánh giá tính cấp thiết của đề tài và từ đó xây dựng định hướng cho các bước nghiên cứu tiếp theo.  Xây dựng cơ sở lý thuyết về ảnh hưởng của tỷ số nén, hình dạng buồng cháy đến thời gian cháy và phát thải của động cơ sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên cấp trên đường ống nạp.  Nghiên cứu mô phỏng: Xây dựng mô hình, điều khiển và phân tích kết quả thu được từ mô phỏng động cơ sau chuyển đổi với nhiên liệu là khí thiên nhiên.  Chuyển đổi động cơ diesel một xylanh thành động cơ sử dụng khí thiên nhiên đáp ứng mục tiêu nghiên cứu của đề tài.  Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của một số các thông số kết cấu đến đặc tính làm việc và phát thải của động cơ. III. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu  Đối tượng: Động cơ một xylanh S1100 là đối tượng được lựa chọn để chuyển đổi thành động cơ sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên. Động cơ S1100 sau khi thay đổi hệ thống nhiên liệu, gắn thêm hệ thống đánh lửa và bướm gió (Throttle) sẽ được coi là đối tượng để nghiên cứu trong luận án..  Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của một số thông số kết cấu (tỷ số nén, hình dạng buồng cháy trên đỉnh piston) đến đặc tính làm việc và phát thải của động cơ nghiên cứu. Các nội dung thí nghiệm của luận án được thực hiện tại Trung tâm nghiên cứu nhiên liệu và khí thải Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. IV. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, kết hợp với nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm để hướng đến mục tiêu của luận án. Về lý thuyết: Xây dựng cơ sở lý thuyết để phục vụ cho các nhiệm vụ: xây dựng mô hình mô phỏng, thiết kế chuyển đổi động cơ và phân tích số liệu thu được từ nghiên cứu mô phỏng và nghiên cứu thực nghiệm. Nghiên cứu mô phỏng để dự báo về ảnh hưởng của một số thông số kết cấu đến đặc tính làm việc và phát thải của động cơ, kết quả thu được từ mô phỏng sẽ là một trong những thông số cơ bản để định hướng thiết kế thử nghiệm. Sử dụng phần mềm AVL BOOST để nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước hình học buồng cháy đến quá trình cháy của động cơ nghiên cứu khi thay đổi các thông số: tỷ số nén, góc đánh lửa sớm, kích thước hình học đỉnh piston. Về thực nghiệm: Lựa chọn, chuyển đổi và lắp đặt hệ thống cung cấp nhiên liệu khí thiên nhiên và hệ thống đánh lửa cho động cơ S1100. 2
Tiến hành lắp đặt, thử nghiệm động cơ nghiên cứu với nhiên liệu khí Mê-tan (CH4), thu thập và xử lý số liệu thử nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của một số thông số kết cấu đến mô men động cơ và khí thải. V. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học của luận án: Luận án đã khảo sát thành công một số thông số kết cấu đến tính năng làm việc và phát thải của động cơ sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên. Là cơ sở cho các nghiên cứu chuyên sâu về hình thành hỗn hợp, cháy và điều chỉnh kết cấu buồng cháy của động cơ khí thiên nhiên, hướng đến mục tiêu nâng cao tính kinh tế nhiên liệu và giảm phát thải trong quá trình chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên. Ý nghĩa thực tiễn của luận án: Kết quả nghiên cứu của luận án góp phần thúc đẩy việc sử dụng khí thiên nhiên cho động cơ diesel nhằm giảm ô nhiễm môi trường và giảm phụ thuộc nguồn nhiên liệu diesel truyền thống. VI. Các điểm mới của luận án  Luận án xây dựng thành công mô hình động cơ sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên trên phần mềm AVL-Boost, cho phép khảo sát ảnh hưởng của một số thông số kết cấu đến đặc tính làm việc và phát thải của động cơ.  Luận án đã bước đầu chuyển đổi động cơ diesel 1 xylanh S1100 thành động cơ đốt cháy cưỡng bức sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên phục vụ nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của tỷ số nén và hình dạng đỉnh piston đến các thông số làm việc và phát thải của động cơ. VII. Bố cục luận án Mở đầu. Chương 1. Nghiên cứu tổng quan. Chương 2. Cơ sở lý thuyết quá trình cháy ở động cơ cháy cưỡng bức sử dụng khí thiên nhiên. Chương 3. Nghiên cứu mô phỏng động cơ sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên. Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm. Kết luận chung và hướng phát triển. CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1. Nguồn gốc của khí thiên nhiên 1.1.1. Nguồn gốc hữu cơ Khí thiên nhiên được thành tạo từ các vật chất hữu cơ (phần còn lại của cây cối hoặc động vật) bị nén ép trong lòng đất dưới áp suất cao trong thời gian dài. 1.1.2. Nguồn gốc vô cơ Khí thiên nhiên được hình thành qua các quá trình tự sinh ở những khu vực rất sâu của vỏ trái đất, những khu vực này có chứa các phân tử cacbon và khí gas tự nhiên giàu hydro. 1.1.3. Phân biệt về nguồn gốc khí thiên nhiên Nghiên cứu về nguồn khí thiên nhiên, người ta phân biệt ba loại khí sau: 3
Khí thiên nhiên; Khí ngưng tụ; Khí dầu mỏ hóa lỏng 1.2. Trữ lượng khí thiên nhiên 1.2.1. Thế giới Trữ lượng khí thiên nhiên vẫn còn chưa được phát hiện ước tính trung bình khoảng 4.258 nghìn tỷ feet khối. Đủ cung cấp cho hơn 100 năm nữa 1.2.2. Ở Việt Nam Về trữ lượng có thể tới 300 đến 400 tỷ m3 1.3. Đặc điểm của khí thiên nhiên 1.3.1. Thành phần Thành phần của khí thiên nhiên có thể thay đổi tùy theo từng quốc gia và vùng lãnh thổ khác nhau 1.3.2. Tính chất đặc trưng Khí thiên nhiên không màu, mùi, vị nhưng có khối lượng nhẹ hơn không khí nên dễ khuếch tán mà không bị tích tụ lại như nhiên liệu lỏng nếu bị rò rỉ ra ngoài. 1.3.3. So sánh khí thiên nhiên với nhiên liệu gốc dầu mỏ Đặc tính Khí thiên nhiên Diesel Xăng Màu, mùi Không Có Có 0,64 0,82 ÷ 0,87 0,72 ÷ 0,87 Tỷ trọng (Không khí = 1) (Nước = 1) (Nước = 1) Nhiệt độ sôi (ngưng tụ) (°C) -162 175 ÷370 40 ÷ 200 Nhiệt trị (MJ/ kg) 50 42,7 42,9 Nhiệt độ cháy(°C) 1900 1780 2030 Nhiệt độ kích nổ (°C) 540 280 264 Tỉ số A/F 17,2 14,7 14,5 Chỉ số octan 130 N/A 83 ÷ 95 1.5. Tổng quan nghiên cứu về động cơ đốt trong sử dụng khí thiên nhiên 1.5.1. Các nghiên cứu ngoài nước 1.5.1.1. Chuyển đổi động cơ disel sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên Luiz Henrique Borges, Carlos Hollnagel, and Wilson Muraro đã tiến hành chuyển đổi động cơ diesel Mercedes-Benz M 366 LAG sang sử dụng nhiên liệu 100% khí thiên nhiên. Kết quả cho thấy để động cơ hoạt động được ổn định cần thiết kế lại buồng cháy và đỉnh piston; giảm tỷ số nén và đưa về tỷ số nén 12; thiết kế vị trí để lắp bugi, hệ thống đánh lửa; lắp đặt bộ hòa trộn khí thiên nhiên cũng như kết cấu đường ống nạp.. 1.5.1.2. Ảnh hưởng của hình dạng buồng cháy Johansson và các cộng sự đã nghiên cứu sử dụng 10 piston có kết cấu đỉnh piston khác nhau để xem xét những thay đổi về chuyển động rối và vận tốc trung bình của dòng khí bên trong xylanh động cơ. Kết quả nghiên cứu cho thấy đối với những động cơ sử dụng nhiên liệu khí cỡ trung bình, đặc tính chuyển động của dòng hỗn hợp chịu ảnh hưởng nhiểu bởi hình dạng đỉnh piston. Phần diện tích squish ảnh hưởng rất nhiều đến khả năng 4
khuếch tán của các phân tử. Đỉnh piston hình trụ sẽ hỗ trợ tốt hơn đối với quá trình cháy cưỡng bức 1.5.1.3. Ảnh hưởng của tỷ số nén Tỷ số nén (ε) cao sẽ làm giảm lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình nhưng nhiệt độ cháy vẫn không thay đổi, thêm vào đó ε cao sẽ làm tăng được hiệu suất nhiệt của động cơ và giảm nhiệt độ khí thải vì kéo dài thêm kỳ giãn nở. 1.5.1.4. Ảnh hưởng của thông số vận hành Thời gian cháy phụ thuộc nhiều vào các thông số vận hành như: tốc độ động cơ, tỷ lệ hoà trộn giữa không khí và nhiên liệu ở bên trong xylanh động cơ, góc đánh lửa sớm tối ưu. 1.5.2. Các nghiên cứu trong nước Tác giả Nguyễn Thành Trung, Trường Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng khí thiên nhiên nén (CNG). Kết quả cho thấy: Ne giảm 20%, ge giảm 10%, CO giảm 80%; HC giảm 79%, NOx giảm 44%; CO2 giảm 29% . Tác giả Bùi Văn Ga đã nghiên cứu sử dụng LPG và biogas trên xe máy, xe buýt và động cơ xăng cỡ nhỏ. Kết quả cho thấy hàm lượng CH4 trong nhiên liệu tăng từ 69,33% lên 88,09% (tăng 30%) sau khi loại bỏ H2S và CO2, phát thải độc hại của động cơ giảm nhiều so với tiêu chuẩn, ở chế độ không tải thì HC chưa tới 10% và CO chưa tới 1% so với giới hạn cho phép của tiêu chuẩn Việt Nam. 1.6. 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 - Sử dụng khí thiên nhiên làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong nói chung và phương tiện vận tải nói riêng không những giảm được lượng khí thải độc hại (như CO2, NOx, SOx và các chất thải dạng hạt (PM) mà còn góp phần giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu gốc dầu mỏ. Tuy nhiên các nghiên cứu cần phải chú ý đến đặc tính cơ bản của khí thiên nhiên so với nhiên liệu xăng và diesel như: nhiệt trị thấp cao (50 MJ/kG), nhiệt độ tự bốc cháy khoảng 540oC và tốc độ cháy chậm  Chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ khí thiên nhiên cấp nhiên liệu trên đường nạp cần phải lắp thêm hệ thống đánh lửa và thay đổi hệ thống cấp nhiên liệu. Sử dụng hệ thống đánh lửa của động cơ xăng lắp cho động cơ khí thiên nhiên mà không cần thay đổi, bugi đánh lửa được lắp đúng vào vị trí của vòi phun diesel sau khi đã gia công ren trên nắp máy. Vòi phun khí thiên nhiên được lắp trên đường ống nạp ở phía sau bướm gió, theo hướng của dòng khí nạp đi vào trong xylanh.  Hướng đến mục tiêu nâng cao tính năng kinh tế kỹ thuật và giảm phát thải cho động cơ khí thiên nhiên chuyển đổi từ động cơ diesel, cần phải khắc phục được nhược điểm cháy chậm của nhiên liệu khí thiên nhiên. Giải pháp được cho 5
là hài hoà nhất dựa trên các đặc tính cơ bản của khí thiên nhiên đó là giảm tỷ số nén và thay đổi hình dạng đỉnh piston.. Để giải thích được ảnh hưởng của tỷ số nén và hình dạng đỉnh piston đến thời gian cháy, xây dựng “Cơ sở lý thuyết quá trình cháy ở động cơ đốt cháy cưỡng bức sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên” là rất cần thiết. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHÁY Ở ĐỘNG CƠ CHÁY CƯỠNG BỨC SỬ DỤNG KHÍ THIÊN NHIÊN 2.1. Tổng quan về cháy cưỡng bức Động cơ đốt trong làm việc theo chu trình Otto được gọi động cơ cháy cưỡng, quá trình cháy của động cơ này được chia thành ba giai đoạn: Giai đoạn đầu tiên là đánh lửa và hình thành màng lửa, giai đoạn thứ 2 là phát triển màng lửa hay còn gọi là cháy chính, và giai đoạn thứ ba là cháy sau hoặc có thể hiểu là giai đoạn kết thúc của màng lửa. 2.2. Định luật bảo toàn khối lượng Định luật bảo toàn khối lượng: đối với bất kỳ hệ thống kín nào mọi chuyển giao vật chất và năng lượng, khối lượng của hệ kín không thể thay đổi theo thời gian. Hay khối lượng của hệ kín không thể thay đổi theo thời gian và cũng không thể được thêm vào hoặc không thể bị bớt đi. 2.3. Định luật thứ nhất của nhiệt động học Tổng năng lượng của một hệ cô lập là không đổi, nhưng năng lượng có thể được chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác mà không thể được tạo ra hoặc mất đi. 2.4. Một số mô hình cháy cưỡng bức 2.4.1. Mô hình cháy không chiều Mô hình không chiều có thể dự đoán và phân tích các đặc tính nhiệt động học của động cơ thông qua giải các phương trình năng lượng, mô hình không chiều phù hợp để xem xét những ảnh hưởng của sự thay đổi đến tốc độ tỏa nhiệt và các tham số áp suất trong xylanh của động cơ làm việc. 2.4.2. Mô hình cháy Fractal Mô hình cháy Fractal được xây dựng để nghiên cứu về quá trình cháy ở động cơ cháy cưỡng bức được sử dụng để dự đoán tốc độ giải phóng nhiệt cho động cơ có khoảng thời gian hoà trộn dài (có thể coi là hỗn hợp đồng nhất). 2.5. Mô hình xác định trị số Ốc-tan yêu cầu Để giảm nguy cơ xảy ra hiện tượng tự đánh lửa ở động cơ cháy cưỡng bức, sự kết hợp giữa giá trị áp suất cực đại với trị số Ốc-tan yêu cầu (ON) để có thể tìm được giới hạn xảy ra kích nổ. 2.6. Mô hình xác định vận tốc squish ở bên trong xylanh động cơ Vận tốc squish có thể được tính từ sự dịch chuyển tức thời của dòng khí qua các cạnh trong của vùng squish 2.7. Kết luận chương 2 Các kết luận của Chương được tóm tắt như sau: 6
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 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 nghiên cứu ảnh hưởng của thông số kết cấu và vận hành đến mô men, công suất và thời gian cháy, các mô hình kết hợp với nhau gồm: tốc độ nhiệt được giải phóng (Heat Release Rate), hệ số khối lượng nhiên liệu đã cháy (Mass Fraction Burned), bugi, mô hình cháy sát vách và mô hình truyền nhiệt. Trong khi đó mô hình xác định trị số Ốc-tan yêu cầu (ON: Required Octane Number) được sử dụng để xác định tỷ số nén giới hạn cho động cơ khí thiên nhiên. Đặc tính của mô hình cháy Fractal trùng hợp với động cơ cháy cưỡng bức, cấp khí thiên nhiên trên đường nạp. Sử dụng mô hình cháy này cho phép nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số đỉnh piston đến thời gian cháy và khí thải. Sử dụng mô hình vận tốc squish ở bên trong xylanh động cơ (Squish velocity), là để làm rõ hơn sự ảnh hưởng của kết cấu đỉnh piston đến động năng chuyển động rối (TKE) của dòng khí. CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ THIÊN NHIÊN 3.1. Giới thiệu chung Phần mềm AVL-Boost là phần mềm một chiều mạnh mẽ và có độ tin cậy cao. Phần mềm cho phép tính toán mô phỏng một cách nhanh chóng, đầy đủ và chi tiết các quá trình nhiệt động, hình thành phát thải trong động cơ khi sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau. Với sự tích hợp tính toán quá trình cháy, trao đổi nhiệt, trao đổi chất và hình thành các thành phần phát thải, từ đó có thể tối ưu hoá các quá trình làm việc của động cơ Chính vì vậy, trong luận án này, tác giả lựa chọn phần mềm AVL-Boost để nghiên cứu mô phỏng động cơ diesel chuyển đổi sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên nhằm đánh giá ảnh hưởng của các thông số kết cấu đến đặc tính làm việc và phát thải. 3.2. Xây dựng và điều khiển mô hình mô phỏng động cơ 3.2.1. Lựa chọn các phần tử cho mô hình và kết nối các phần tử Động cơ nghiên cứu được mô phỏng bằng phần mềm AVL Boost trên cơ sở các thông số kết cấu của động cơ thực tế, các phần tử của mô hình được lựa chọn theo đặc điểm kết cấu của động cơ 3.2.2. Nhập dữ liệu chung cho mô hình 3.2.3. Nhập dữ liệu cho từng phần tử 3.2.4. Ảnh hưởng đến trị số Ốc-tan yêu cầu (ON) 7
3.2.5. Ảnh hưởng đến thời gian cháy 3.2.6. Ảnh hưởng đến thông số vận hành 3.2.7. Kết cấu hình học đỉnh piston Nghiên cứu về ảnh hưởng của thông số hình học buồng cháy đến trị số Ốc- tan yêu cầu, kích thước phần lõm trên đỉnh piston lựa chọn như bảng 3.6. Bảng 3.6. Thông số hình học kết cấu buồng cháy Đường kính Độ sâu vết lõm Khoảng lệch tâm lõm Tên gọi lõm (Db, mm) (Hb, mm) (OB, mm) Flat 0 0 0 Heron 1 60 10 0 Heron 2 60 17,5 0 Heron 3 66 17,5 0 Nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu buồng cháy đến thời gian cháy, kích thước phần lõm trên đỉnh piston lựa chọn như bảng 3.7 Bảng 3.7. Thông số hình học kết cấu buồng cháy Vị trí di Tên Đường kính Độ sâu vết lõm Khoảng lệch tâm chuyển bugi gọi lõm (Db, mm) (Hb, mm) lõm (OB, mm) (OS, mm) Flat 0 0 0 0 60 10 2 0 60 17,5 4 0 66 25 6 0 60 10 0 2 60 17,5 0 4 66 25 0 6 3.3. Hiệu chuẩn và đánh giá độ chính xác của mô hình Với 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 việc điều chỉnh các thông số của mô hình cháy, mô hình truyền nhiệt và tổn thất cơ giới để đảm bảo kết quả tính toán mô phỏng phù hợp với kết quả thực nghiệm trên động cơ thí nghiệm Kết quả: Tổn hao cơ giới có chung một xu hướng thay đổi giống nhau khi tăng tốc độ n = (1000 ÷ 1400) v/p tốc độ tăng của tổn hao cơ giới nhỏ hơn so với khi n>1400 v/p Dự báo với ε = 12 thì Hình. 3.13. Ảnh hưởng của tỷ số nén đến Me và e sẽ được cải thiện tổn hao cơ giới 8
Xét trong toàn vùng thí nghiệm (n = 1000 ÷ 2000 vòng/phút), sai số lớn nhất và nhỏ nhất giữa kết quả mô phỏng với kết quả thí nghiệm theo thứ tự là khoảng 5% và 2%. Hình 3.14. Kết quả hiệu chuẩn mô hình 3.4. Kết quả mô phỏng và thảo luận 3.4.1. Ảnh hưởng của các thông số vận hành và kết cấu đến trị số ốc tan yêu cầu 3.4.1.1. Ảnh hưởng của thông số vận hành đến trị số ốc tan yêu cầu (ON) Kết quả:  = const, ON có xu hướng giảm n tăng n = const, giá trị ON lại có xu hướng tăng khi  tăng Động cơ diesel khi chuyển đổi thành động cơ khí thiên nhiên cần phải giảm  để tránh xảy ra hiện tượng cháy bất Hình 3.15. Ảnh hưởng tỷ số nén thường khi động cơ làm việc ở vùng tốc đến trị số Ốc-tan yêu cầu độ thấp. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng trong khoảng 1000 ÷ 1200 vòng/phút, ε của động cơ không được lớn hơn 13, trong trường hợp ε ≥ 13 thì độ động cơ phải làm việc ở n ≥ 1400 vòng/ phút. Nếu ε của động cơ trong khoảng từ ε = 14 đến ε
Kết quả:  = const, Với λ = 0.8 - 1 giá trị ON có xu hướng tăng. Đạt cực trị tại λ = 1, với λ > 1 ON có xu hướng giảm. Để giảm ON yêu cầu, thì động cơ chuyển đổi cần phải giảm ɛ để làm việc an toàn trong vùng n = 1000 – 2200 v/p Hình 3.17. Ảnh hưởng của lambda đến trị số Ốc-tan yêu cầu (ON) Kết quả:  = 10, và λ = 0.8; 1; 1,2 thì ON có chung xu hướng giảm khi n tăng. Tuy nhiên, n làm việc ở vùng tốc độ cao với λ > 1 thì giảm ON và mà còn tăng e Giảm ON bằng cách tăng λ> 1 hiệu quả hơn so với tăng n Hình 3.18. Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến trị số Ốc-tan yêu cầu Kết quả: Cố định tại n = 1000 v/p Thời gian cần thiết để đốt cháy λ = 1 là 53 độ λ = 1.2 là 93 độ λ = 0.8 là 123 độ Giá trị ON phụ thuộc vào giá trị λ của động cơ làm việc Hình 3.19. Sự thay đổi của tốc độ cháy theo góc quay trục khuỷu Kết quả: Với λ = 1 nhiệt lượng toả ra cao hơn so với λ = 0.8 và λ = 1,2 Để giảm ON khi chuyển đổi động cơ cần phải giảm về ɛ = 10 để động cơ làm việc an toàn trong vùng tốc độ của động cơ diesel nguyên bản (n =1000 - 2200 v/p) Hình 3.20. Tốc độ giải phóng nhiệt thay đổi theo góc quay trục khuỷu 10
3.4.1.2. Ảnh hưởng của thông số kết cấu đến trị số ốc tan yêu cầu Kết quả: Động năng rối của dòng khí ở gần cuối giai đoạn cháy đã được cải thiện đáng kể so với piston đỉnh phẳng. Nguyên nhân làm thay đổi giá trị TKE trong trường hợp này là do hình dạng của đỉnh piston lõm xuống nên đã kiểm soát được sự xuất hiện của squish ở cuối kỳ nén Hình 3.21. Động năng rối (TKE) thay đổi theo góc quay trục khuỷu Kết quả: Ảnh hưởng của hình dạng đỉnh piston ảnh hưởng rất rõ ở giai đoạn cháy chính, do động năng rối của piston đỉnh phẳng nhỏ hơn so với cả ba hình dạng đỉnh piston còn lại nên thời gian cháy chính dài hơn. Hình 3.22. Tỷ lệ nhiên liệu được đốt cháy theo góc quay trục khuỷu Kết quả: Cố định ɛ = 10; n = 1000v/p Pf = 1 bar, Gnl =const Với bốn hình dạng đỉnh piston khác nhau thì tốc độ giải phóng nhiệt theo góc quay trục khuỷu có hình dạng tương đối khác nhau Hình 3.23. Tốc độ giải phóng nhiệt thay đổi theo góc quay trục khuỷu Kết quả: Với IT = const thì ON yêu cầu của piston đỉnh phẳng luôn thấp hơn so với ba hình dạng đỉnh piston còn lại Kết quả này minh chứng rằng ảnh hưởng của hình dạng đỉnh piston đến giá trị ON là rất lớn Hình 3.24. Ảnh hưởng thời điểm đánh lửa đến trị số Ốc-tan yêu cầu 11
Kết quả: Khi tăng độ lõm (Hb) trên đỉnh piston sẽ làm tăng giá trị ON và thời điểm đánh lửa được chiều chỉnh muộn hơn Hình 3.25. Ảnh hưởng Hb đến trị số ốc tan yêu cầu và thời điểm đánh lửa Kết quả: Khi tăng Db sẽ làm tăng khả năng đốt cháy và giải phóng nhiệt của nhiên liệu ở cuối kỳ nén vì vậy mà giá trị ON yêu cầu tăng và thời điểm đánh lửa có thể điều chỉnh muộn hơn Hình 3.26. Ảnh hưởng Db đến trị số ốc tan yêu cầu và thời điểm đánh lửa 3.4.3. Ảnh hưởng của tỷ số nén đến mô men và công suất Kết quả: n = 1200 v/p, thì Me đạt giá trị lớn nhất với các giá trị ɛ Với ε = 12 thì Me đạt giá trị lớn nhất so với các ε khác trong vùng tốc độ làm việc Ảnh hưởng của ε đến đặc tính làm việc của động cơ là lớn hơn so với ảnh hưởng của tổn hao cơ giới Hình 3.27. Ảnh hưởng của tỷ số nén đến mô men động cơ Kết quả: Công suất ở mỗi tốc độ động cơ đều có xu hướng thay đổi giống nhau khi tăng ε. Khi ε = 10 - 14, công suất tăng và đạt giá trị lớn nhất tại ε = 12 sau đó Ne giảm khi tỷ số nén lớn hơn, tuy nhiên, tại ε = 14 công suất của mỗi tốc độ đều Hình. 3.28. Ảnh hưởng của tỷ số nén lớn hơn so với ε = 10 đến công suất động cơ 12
Kết quả: Với λ = 1 góc đánh lửa sớm có cùng xu hướng đánh sớm lên khi tăng n, tại ε > 13 động cơ chỉ làm việc ở n= 1200 v/p. ε =const, góc đánh lửa sớm có xu hướng tăng khi n. Như vậy dù n hay tăng ε, cần phải tăng góc đánh lửa sớm lên để có Memax. Hình 3.29. Ảnh hưởng của tỷ số nén đến góc đánh lửa sớm tối ưu Kết quả: Tốc độ giới hạn của động cơ có xu hướng giảm nhưng góc đánh lửa giới hạn lại có xu hướng tăng lên khi tăng ε. Ảnh hưởng của ε đến đặc tính làm việc của đông cơ là rất lớn. Hình. 3.30. Ảnh hưởng của tỷ số nén đến giới hạn tốc độ và góc đánh lửa sớm 3.4.4. Ảnh hưởng của các thông số kết cấu và vận hành đến thời gian cháy 3.4.4.1. Ảnh hưởng của độ sâu đỉnh piston đến thời gian cháy Kết quả: n = 1800 v/p; Gnl = 0,755 (g/s); Db = 66 Khi Hb tăng, thời gian cháy và góc đánh lửa có cùng xu hướng giảm, ngắn nhất tại Hb = 17,5 Hb>17,5 thì Me, Ne, e dự báo có xu hướng giảm và ge tăng. Hình 3.31. Ảnh hưởng Hb đến thời gian cháy và góc đánh lửa sớm Kết quả: Ảnh hưởng của Hb đến áp suất trong xylanh rõ nhất ở cuối quá trình nén và ở phần đầu của quá trình cháy-giãn nở. Khi Hb tăng, áp suất trong xylanh động cơ đạt giá trị lớn nhất sau ĐCT khoảng 13 độ góc quay trục khuỷu Hình 3.32. Ảnh hưởng Hb đến áp suất trong xylanh 13
Kết quả: Tổn thất nhiệt có xu hướng giảm rất nhanh và đạt giá trị nhỏ nhất tại Hb = 10, sau đó lại có xu hướng tăng lên một chút khi Hb lớn hơn. Với Hb = 10, có tổn thất nhiệt nhỏ hơn hơn so với Hb = 17,5 nhưng vận tốc rối bên trong xylanh động cơ nhỏ hơn vì vậy áp Hình 3.33. Ảnh hưởng Hb suất trong xylanh động cơ nhỏ hơn. đến tổn thất nhiệt 3.4.4.2. Ảnh hưởng của vị trí đặt bugi đến thời gian cháy Kết quả: Khi vị trí bugi (OS) dịch chuyển khỏi tâm xylanh, thời gian cháy có xu hướng tăng nhanh ở cả ɛ = 10 và ε = 11,5 Vị trí đặt bugi có ảnh hưởng rất lớn đến thời gian cháy của hỗn hợp ở bên trong xylanh động cơ, độ lệch tâm bugi càng Hình 3.34. Ảnh hưởng của vị trí dịch lớn thời gian cháy càng tăng. chuyển bugi đến thời gian cháy 3.4.4.3. Ảnh hưởng của thời điểm đánh lửa đến thời gian cháy Kết quả: Thời gian cháy có xu hướng giảm nhanh khi góc đánh lửa tăng lên, mức độ giảm của ε = 10 và ε = 11,5 là tương đương nhau (tăng khoảng 7%) Tỷ số nén ít ảnh hưởng đến thời gian cháy hơn so với góc đánh lửa Hình 3.35. Ảnh hưởng của thời điểm đánh lửa đến thời gian cháy 3.4.4. Ảnh hưởng của hình dạng buồng cháy đến thông số vận hành Kết quả: - Hb = 0: thì Me luôn nhỏ hơn các trường hợp khác - Hb = 17,5 đạt Memax Hb ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian cháy nên ảnh hưởng của Hb đến Me, là rất lớn Hình 3.36. Ảnh hưởng Hb đến mô men 14
Kết quả: - Hb = 0: thì Ne luôn nhỏ hơn các trường hợp khác - Hb = 17,5 đạt Nemax Hb ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian cháy nên ảnh hưởng của Hb đến Ne, là rất lớn Hình 3.37. Ảnh hưởng Hb đến công suất Kết quả: Khi tăng đến Hb = 25, tốc độ động cơ được mở rộng đến n = 2400 v/p mà mô men vẫn không thay đổi so với Memax tại Hb = 0. Tại Hb = 17,5 thời gian cháy đạt giá trị của nhỏ nhất trong vùng khảo sát Hình 3.38. Ảnh hưởng Hb tới tốc độ động cơ và thời gian cháy Kết quả: Tại mỗi tốc độ cố định, góc đánh lửa sớm có xu hướng giảm khi tăng giá trị Hb. Như vậy có thể thấy rằng độ sâu của buồng cháy trên đỉnh piston có ảnh hưởng đến góc đánh lửa sớm là mạnh hơn so với tốc độ động cơ. Hình 3.39. Sự thay đổi của góc đánh lửa theo tốc độ động cơ Kết quả: Khi Hb tăng, thời gian cháy giảm xuống và đạt giá trị nhỏ nhất tại Hb = 17,5, sau đó lại có tăng lên khi Hb tăng. Thời gian cháy tại Hb = 17,5 giảm được khoảng 1,6 lần so với thời gian cháy tại Hb = 0. Khi Hb>17,5 thì Me có xu hướng giảm Hình 3.40. Thời gian cháy và mô men thay đổi theo độ sâu lõm trên đỉnh piston 15
Kết quả: Khi Hb tăng, áp suất trong xylanh động cơ đạt giá trị lớn nhất sau ĐCT 13 độ, giá trị áp suất lớn nhất trong xylanh tăng khi giá trị Hb tăng. Chất lượng của quá trình cháy đã được cải thiện đáng kể là do sự thay đổi độ sâu Hb Hình 3.41. Áp suất trong xylanh thay đổi theo góc quay trục khuỷu Kết quả: Tại mỗi tốc độ của động cơ, tăng Hb, thì ge có xu hướng giảm dần và đạt giá trị nhỏ nhất tại Hb = 17,5, sau đó tăng khi Hb > 17,5 ge có xu hướng tăng. ge nhỏ nhất tại Hb = 17,5 và giảm được khoảng 1,4 % so với giá trị ge tại Hb = 0. Hình 3.42. Ảnh hưởng Hb đến suất tiêu hao nhiên liệu 3.4.5. Ảnh hưởng của thông số kết cấu đến khí thải Kết quả: Quá trình hình thành hỗn hợp nhiên liệu tốt hơn cùng với động năng xoáy và quá trình đốt cháy diễn ra nhanh hơn dẫn đến tốc độ giải phóng nhiệt cao hơn từ đó nhiệt độ và áp xuất đỉnh bên trong xylanh tăng lên đã làm cho quá trình oxi hoá nhiên liệu diễn ra nhanh hơn làm cho lượng khí thải NOx có xu hướng tăng lên. Hình 3.43. Ảnh hưởng của hình dạng đỉnh piston đến khí thải 3.5. Kết luận chương 3 Các kết luận rút ra từ chương này có thể tóm tắt như sau: Mặc dù trị số Ốc-tan của nhiên liệu khí thiên nhiên cao (ON = 130), khi chuyển đổi từ động cơ diesel thành động cơ khí thiên nhiên cháy cưỡng bức phải giảm tỷ số nén. Với  = 10 động cơ làm việc an toàn trong vùng tốc độ n = 1000 – 2200 vòng/phút, ở tỷ số nén  = 12 thì công suất đạt giá trị lớn nhất, với ε > 12 có nguy cơ xảy ra hiện tượng cháy kích nổ khi động cơ làm việc ở vùng tốc độ thấp. 16
Thay đổi hình dạng đỉnh piston đã khắc phục được tốc độ cháy chậm của nhiên liệu khí thiên nhiên, vì vậy tăng được tính kinh tế nhiên liệu và giảm phát thải cho động cơ khí thiên nhiên. Vị trí lắp bugi trên nắp máy ảnh hưởng rất lớn đến tính kinh tế nhiên liệu và phát thải của động cơ, bugi đặt tại tâm của buồng cháy sẽ dễ dàng cho quá trình hình thành màng lửa. Trên cơ sở kết quả nghiên cứu mô phỏng nên khi tiến hành nghiên cứu thực nghiệm chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ sử dụng khí thiên nhiên cháy cưỡng bức cần phải giảm tỷ số nén trong khoảng  = 10 – 12 và sử dụng piston có đỉnh lõm kiểu hình trụ. CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1. Chuyển đổi động cơ diesel một xylanh S1100 thành động cơ sử dụng khí thiên nhiên Để chuyển đổi động cơ diesel S1100 thành động cơ sử dụng được nhiên liệu khí thiên nhiên, do vậy sẽ phải loại bỏ một số hệ thống và gia công lại một số cụm chi tiết cho phù hợp. Những thay đổi chính sẽ tập trung vào những nhiệm vụ sau: Bổ sung hệ thống đánh lửa; thay thế hệ thống cấp nhiên liệu; giảm tỷ số nén và lắp đặt một số cảm biến Hình 4.1. Động cơ S1100 4.1.1. Lắp đặt hệ thống đánh lửa Hệ thống đánh lửa lắp thêm trên động cơ đốt cháy cưỡng bức 1 xylanh sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên được chuyển đổi từ động cơ diesel được lựa chọn là hệ thống đánh lửa bán dẫn không tiếp điểm 4.1.2. Vị trí lắp cảm biến áp suất 4.1.3. Cảm biến lưu lượng khí nạp Hình 4.11. Vị trí lắp cảm biến áp suất xy lanh 4.1.4. Hệ thống cung cấp nhiên liệu khí thiên nhiên 17
Hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ được lựa chọn là phương án phun khí thiên nhiên trên đường ống nạp Áp suất khí thiên nhiên phun khoảng 1 bar được điều khiển thông qua van điều áp, vòi phun phải thiết kế gần cửa nạp, tránh hiện tượng xoáy quá mức trong hòa trộn không khí - nhiên liệu làm giảm hiệu quả của quá trình cháy. Lượng khí nạp vào xylanh động cơ được xác định Hình 4.13. Bố trí nhiên liệu và động cơ thông qua cảm biến Mass Flow trên băng thử 4.1.5. Lựa chọn kết cấu hình học và thay đổi tỷ số nén động cơ Kết hợp từ kết quả nghiên cứu mô phỏng và sự tiếp cận của các công trình khoa học đã được công bố, tỷ số nén của động cơ thử nghiệm sẽ được lựa chọn tại hai giá trị lần lượt là  = 11,5 và  = 12,5. Bảng 4.2. Thông số hình học của ba kiểu đỉnh piston Khoảng lệch Đường kính Độ sâu vết lõm Tên gọi tâm lõm (OB, lõm (Db, mm) (Hb, mm) mm) PS 1 66 19 0 PS 2 61,5 19 0 PS 3 61,5 19 4,5 4.2. Mục đích thử nghiệm Xác định các thông số cơ bản như: Tốc độ động cơ (n, vòng/phút), Mô men có ích đo được tại trục khuỷu động cơ (Me, Nm), Lượng nhiên liệu nạp vào động cơ (Gnl, lít/phút), diễn biến áp suất trong xylanh (Pcyl, bar), các chất phát thải (H-C, CO, NOx) của động cơ thử nghiệm. Từ các thông số thu được qua thử nghiệm xây dựng được các đường đặc tính biểu thị mối quan hệ giữa các thông số kết cấu, thông số vận hành của động cơ thử nghiệm cho từng trường hợp. Phân tích, đánh giá ảnh hưởng của một số thông số kết cấu, đến đặc tính 18
làm việc và phát thải của động diesel một xylanh S1100 sau khi chuyển đổi sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên. 4.3. Sơ đồ hệ thống thử nghiệm Hình 4.18. Sơ đồ hệ thống thử nghiệm động cơ 4.4. Trang thiết bị thử nghiệm Băng thử động lực học cao ETB được trang bị tại Trung tâm thử nghiệm động cơ, nhiên liệu và khí thải, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội là băng thử được cung cấp bởi hãng AVL của Áo 4.4.1. Phanh điện APA100 4.4.2. Thiết bị đo lượng nhiên liệu 4.4.3. Tủ phân tích khí CEB-II 4.4.4. Cảm biến đo áp suất 4.5. Quy trình và phạm vi thử nghiệm 4.5.1. Quy trình thử nghiệm 4.5.2. Phạm vi thử nghiệm 4.6. Kết quả thử nghiệm và thảo luận 4.6.1. Ảnh hưởng của hình dạng đỉnh piston và tỷ số nén đến mô men và công suất Kết quả: Me tăng và đạt giá trị cực đại tại n = 1400 v/p. Me giảm n > 1400 v/p. Me(SP1) > Me(SP2) là do khối lượng nhiên liệu nạp và nhiệt lượng được giải phóng Me(PS2) > Me(PS3) là do ảnh hưởng của kết cấu hình học của Hình 4.22. Ảnh hưởng của hình dạng đỉnh piston đỉnh piston đến mô men 19
Kết quả: Trường hợp OB = 0 Ne(PS1) > Ne(PS2) Khi tăng  sẽ làm tăng vận tốc squish ở gần cuối kỳ nén Với  = 12.5 Ne(PS2) > Ne(PS3) Do ảnh hưởng của kết cấu buồng cháy đến tốc độ giải phóng nhiệt ở Hình 4.23. Ảnh hưởng của hình dạng bên trong buồng cháy. đỉnh piston đến công suất 4.6.2. Ảnh hưởng của hình dạng đỉnh piston và tỷ số nén đến khả năng cháy Kết quả: Pmax(PS3) < Pmax(PS2) do kết cấu hình học buồng cháy khác nhau. Pmax(PS1) < Pmax(PS2) do thay đổi đường kính lõm làm thay đổi vận tốc squish dẫn đến sự thay đổi quá trình truyền nhiệt cho thành vách buồng cháy Hình 4.24. Sự thay đổi của áp suất trong xylanh theo góc quay trục khuỷu Kết quả: - xb = 0 ÷ 0.2, lượng nhiên liệu đã cháy của SP1 và SP2 là như nhau - xb = 0.2 ÷ 0.8, lượng nhiên liệu đã cháy của PS1 chậm hơn so với PS2 - xb = 0.8 ÷ 1, lượng nhiên liệu đã cháy của PS1 lại lớn hơn so với PS2 Sự khác biệt về khối lượng nhiên liệu đã cháy giữa PS1 và PS2 là rất Hình 4.25. Lượng nhiên liệu đã cháy nhỏ và không đáng kể thay đổi theo góc quay trục khuỷu 20