NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HÒA TRỘN GIỮA KHÍ THẢI VÀ KHÔNG KHÍ BỔ SUNG ĐỂ TÌM VỊ TRÍ, GÓC PHUN PHÙ HỢP VÀO ỐNG THẢI ĐỘNG CƠ MỘT XYLANH

DƯƠNG XUÂN TRƯỜNG BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU Q TRÌNH HỊA TRỘN GIỮA KHÍ THẢI VÀ KHƠNG KHÍ BỔ SUNG ĐỂ TÌM VỊ TRÍ, GĨC PHUN PHÙ HỢP VÀO ỐNG THẢI ĐỘNG CƠ MỘT XYLANH CBHD: ThS Nguyễn Huy Chiến Sinh viên: Dương Xuân Trường CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ Mã số sinh viên: 2018605629 Hà Nội – Năm 2022 i MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH VẼ iii DANH MỤC BẢNG BIỂU v DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT vi LỜI MỞ ĐẦU vii CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Tổng quan việc bổ sung thêm khơng khí vào đường thải 1.1.1 Giới thiệu chung đề tài 1.1.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống AIS 1.2 Bộ xúc tác ba thành phần yếu tố ảnh hưởng 1.2.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động xúc tác ba thành phần 1.2.2 Những yếu tố ảnh hưởng tới khả làm việc xúc tác ba thành phần 10 1.2.3 Hạn chế xúc tác ba thành phần 14 1.3 Tổng quan chế hịa khí 15 1.3.1 Bộ chế hòa khí xe Zip 19 1.3.2 Hệ thống 19 1.3.3 Hệ thống tăng tốc 21 1.3.4 Hệ thống không tải 22 1.4 Tổng quan khí thải động đốt xylanh 23 1.4.1 Sản phẩm cháy 23 1.4.2 Các thành phần độc hại ảnh hưởng chúng 24 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN Q TRÌNH HỊA TRỘN GIỮA KHÍ THẢI VÀ KHƠNG KHÍ BỔ SUNG TỪ ĐĨ TÌM VỊ TRÍ, GĨC PHUN PHÙ HỢP VÀO ỐNG THẢI ĐỘNG CƠ MỘT XYLANH 28 2.1 Xác định lượng khơng khí cần cung cấp 28 2.2 Sơ đồ hệ thống cung cấp khơng khí 29 2.3 Cấu tạo phận hệ thống cấp khí 29 ii 2.3.1 Nguồn cấp khí 29 2.3.2 Van điều áp 30 2.3.3 Van tiết lưu 30 2.3.4 Lưu lượng kế 30 2.3.5 Van đóng - mở 31 CHƯƠNG XÂY DỰNG MÔ HÌNH MƠ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM ANSYS FLUENT 32 3.1 Khái quát chung phần mềm Ansys Fluent 32 3.2 Cơ sở lý thuyết mô Ansys Fluent 41 3.3 Xây dựng mơ hình mơ 53 3.4 Chia lưới 55 3.5 Đánh giá kết mô 57 3.5.1 Phân bố vận tốc nhiệt độ khí thải khơng khí hệ thống 57 3.5.2 Đánh giá mức độ hịa trộn khơng khí khí thải 59 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 63 4.1 Kết luận 63 4.2 Hướng phát triển đề tài 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 iii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Hệ thống AIS trang bị xe HONDA Hình Hệ thống AIS trang bị xe YAMAHA Hình Hệ thống AIS Hình Khi động hoạt động bình thường Hình Khi giảm tay ga đột ngột tốc độ cao Hình Cấu tạo xúc tác ba thành phần Hình Cấu trúc lõi dạng gốm nguyên khối Hình Nguyên lý hoạt động xúc tác Hình Ảnh hưởng nhiệt độ tới khả làm việc xúc tác ba thành phần 11 Hình 10 Bố trí cảm biến Oxy xúc tác 12 Hình 11 Đồ thị đặc tính lamda 13 Hình 12 Hiệu chuyển đổi thành phần phát thải phụ thuộc mức độ dao động hệ số dư lượng khơng khí λ 13 Hình 13 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu sử dụng chế hịa khí 17 Hình 14 Đường đặc tính lý tưởng chế hịa khí theo độ mở bướm ga (%tải) 18 Hình 15 Bộ chế hịa khí xe Zip 19 Hình 16 Sơ đồ nguyên lý đặc tính làm việc hệ thống chế hịa khí động xe ZIP 20 Hình 17 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tăng tốc 21 Hình 18 Sơ đồ nguyên lý làm việc hệ thống không tải 23 Hình Sơ đồ hệ thống cấp khí 29 Hình 2 Van điều áp 30 Hình Van tiết lưu 30 Hình Lưu lượng kế 31 Hình Van đóng mở 31 Hình Thiết lập mơ hình mơ 32 Hình Thiết lập Double Precision 32 Hình 3 Các thiết lập khác 33 Hình Giao diện Ansys Fluent 33 Hình Kiểm tra biên 33 Hình Kiểm tra hình học 34 Hình Giao diện phần mềm Ansys Fluent 37 Hình Giao diện Design Modeler 37 Hình Lựa chọn Scale mesh 38 iv Hình 10 Đánh giá lưới 40 Hình 11 Các diều kiện orthogonal quality 40 Hình 12 Tiêu chuẩn orthogonal quality 40 Hình 13 Sử dụng phương trình lượng cho mơ hình (Energy(ON)) 42 Hình 14 Chọn mơ hình rối Viscous Model 43 Hình 15 Mơ hình rối k–ε tiêu chuẩn 44 Hình 16 Setup Materials 45 Hình 17 Nhập thơng số bảng vật liệu Materials 45 Hình 18 Cell Zone 46 Hình 19 Điều kiện biên 46 Hình 20 Thiết lập Inflow 47 Hình 21 Các dạng biên Inflow 47 Hình 22 Dạng biên Velocity Inlet 48 Hình 23 Thermal 48 Hình 24 Setup Pressure Outlet 49 Hình 25 Kiểm tra Momentum 49 Hình 26 Kiểm tra Thermal 50 Hình 27 Thiết lập Solution Initialization 50 Hình 28 Thiết lập Solution Methods 51 Hình 29 Chạy tính toán 51 Hình 30 Trường vận tốc 52 Hình 31 Trường nhiệt độ 52 Hình 32 Trường nhiệt độ theo mặt cắt ngang outflow 53 Hình 33 Bản vẽ kết cấu ống hồ trộn 54 Hình 34 Nhập lưới (Import Mesh) 55 Hình 35 Bản vẽ mơ hình 3D 56 Hình 36 Chia lưới mơ hình 56 Hình 37 So sánh hệ số Nusselt với số phần tử lưới khác 57 Hình 38 Phân bố vận tốc khí thải khơng khí với góc phun khác 58 Hình 39 Phân bố nhiệt độ khí thải khơng khí  thay đổi từ 0o ÷ 180o 59 Hình 40 Hệ số lưu lượng khơng khí mặt cắt C-C 61 Hình 41 Tỷ lệ % theo kk (0,091 0,133) mặt cắt C-C 62 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 Các thông số điều kiện biên 44 vi DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT STT KÝ HIỆU Ý NGHĨA EURO Tiêu chuẩn khí thải Châu Âu BXT Bộ xúc tác AIS Hệ thống phun thêm khơng khí vào đường thải Pt Bạch kim Pd Paradi λ Hệ số dư lượng không khí kk Hệ số lưu lượng khơng khí Gkk Lưu lượng khơng khí bổ sung phân tố khảo sát Gkt Lưu lượng khí thải phân tố khảo sát 10 V0 Lưu lượng khí khơng khí thực tế phun vào xylanh động 11 G Lưu lượng khí cần thiết phun vào đường thải 12 ge Suất tiêu hao nhiên liệu 13 Ne Công suất động 14 ρkk Khối lượng riêng không khí 15 A/F Tỉ lệ hồ khí (Khơng khí/nhiên liệu) vii LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, xe máy loại phương tiện sử dụng phổ biến Việt Nam Theo thống kê Cục Đăng kiểm Việt Nam, nước ta có 60 triệu xe máy, phần lớn xe trang bị hệ thống nhiên liệu sử dụng chế hịa khí Bên cạnh ưu điểm giá thành phù hợp với thu nhập đa số người dân, thuận tiện trình di chuyển đặc biệt đường, ngõ phố chật hẹp… Xe máy tác nhân gây nhiễm mơi trường khơng khí đặc biệt thành phố lớn Hà Nội thành phố Hồ Chí Minh Nhằm kiểm sốt phát thải cho phương tiện sản xuất lắp ráp nước phương tiện nhập nước ta áp dụng tiêu chuẩn EURO4 cho ô tô EURO3 cho xe máy (bắt đầu từ năm 2017) Tiến tới áp dụng tiêu chuẩn EURO5 cho ô tô EURO4 cho xe máy (theo lộ trình áp dụng từ 1/1/2022) Để giảm thiểu nhiễm môi trường đáp ứng tiêu chuẩn khí thải ngày cao địi hỏi ngồi cải tiến cơng nghệ liên quan tới động việc trang bị thêm hệ thống xử lý khí thải gần yêu cầu bắt buộc Khác với động phun xăng điện tử, động sử dụng hệ thống nhiên liệu chế hịa khí việc trang bị hệ thống xử lý khí thải mà cụ thể xúc tác ba thành phần (BXT) tương đối khó khăn q trình vận hành hệ số dư lượng khơng khí λ động có biên độ thay đổi lớn động thường làm việc vùng có hệ số dư lượng khơng khí λ nhỏ hiệu BXT không cao dẫn tới hàm lượng phát thải độc hại động sau BXT lớn Theo đặc tính lý tưởng, đa phần chế độ làm việc chế hịa khí có tỷ lệ hịa khí A/F (khơng khí/nhiên liệu) nhỏ 14,7, điều có nghĩa vùng làm việc chế hịa khí thường có λ Contours -> Chuột phải -> Chọn New 52 Hình 30 Trường vận tốc Kiểm tra trường nhiệt độ Mục Results -> Contours -> Chuột phải -> Chọn New Hình 31 Trường nhiệt độ 53 Hình 32 Trường nhiệt độ theo mặt cắt ngang outflow Cách thức thực hiện: Case study description: Mơ tả trường hợp chạy hình học điều kiện biên trường hợp chạy mô Sử dụng mơ hình k–ε tiêu chuẩn Grid check: Kiểm tra lưới Models: Xét mơ hình dối phần mềm Ansys Fluent Materials: Xét tính chất lưu chất Boundary condition: Xét điều kiện biên Solver execution: Những chức liên quan đến phương pháp số Post-Processing results: Kết Revision of the model: Cải thiện kết tính tốn mơ hình phương pháp số bậc cao lưới mịn 3.3 Xây dựng mơ hình mô Trên sở kết cấu thực tế xe Zip 100, tiến hành xây dựng mơ hình đường ống thải xe vị trí sau cửa thải động đến vị trí 54 trước xúc tác ba thành phần (Hình 3.33) Vị trí bố trí vịi bổ sung khơng khí giữ cố định, góc nghiêng β khảo sát với trường hợp: 0o (TH1), 60o(TH2), 90o(TH3), 120o(TH4) 180o(TH5) Ngoài thông số điều kiện biên thể bảng 1.1, biên dạng vận tốc coi đồng phân bố đồng tiết diện đầu vào đường ống Điều kiện biên tường không chuyển động gắn cho vỏ bên đoạn nhiệt (giả thiết vỏ bọc cách nhiệt hồn tồn) Hình 33 Bản vẽ kết cấu ống hoà trộn 55 3.4 Chia lưới Hình 34 Nhập lưới (Import Mesh) Mơ hình 3D mơ hình chia lưới thể hình 3.35 hình 3.36 Trong trình chia lưới kích thước lưới thơng số quan trọng, ảnh hưởng đến kết cuối mơ hình mơ số Vì tính độc lập kích thước lưới kiểm tra Trong nghiên cứu này, kích thước lưới khác (41169; 93980; 120355; 165404 371491 phần tử) khảo sát để tìm ảnh hưởng số lượng phần tử lưới đến hệ số Nusselt, hệ số tính tốn gần cuối đường ống thải (100 mm tính từ vị trí bố trí vịi phun khơng khí - hình 3.33) Kết cho thấy khơng có thay đổi đáng kể hệ số Nusselt số lượng phần tử lưới từ 120355 trở (hình 3.37) Dựa kết phân tích này, số lượng phần tử lưới lựa chọn cho mơ hình mơ 120355 phần tử Q trình mơ coi hội tụ sai số lượng khối lượng nhỏ 10-4 sai số khác nhỏ 10-6 56 Hình 35 Bản vẽ mơ hình 3D Hình 36 Chia lưới mơ hình 57 12 Hệ số Nusselt 11 10 41.2 94.0 120.4 Số phần tử lưới (x 165.4 371.5 103) Hình 37 So sánh hệ số Nusselt với số phần tử lưới khác 3.5 Đánh giá kết mô 3.5.1 Phân bố vận tốc nhiệt độ khí thải khơng khí hệ thống Hình 3.38 thể phân bố vận tốc hỗn hợp khí thải khơng khí bổ sung lưu động ống ứng với góc phun khác Có thể nhận thấy dịng khơng khí bổ sung với vận tốc cao vào gây tượng rối xoáy làm tăng mức độ hịa trộn hai dịng khí Hiện tượng rối xốy có khác biệt đáng kể thay đổi góc phun , điều ảnh hưởng đến phân bố nhiệt độ phía vị trí trước sau vòi phun, đặc biệt điểm gần thành ống thải Bên cạnh thấy với góc phun β thay đổi từ 60o đến 120o rối xốy dịng khí cịn tiếp tục kéo dài đường thải khoảng cách xa so với vị trí vịi phun khơng khí, điều làm tăng mức độ hịa trộn khí thải dịng khí bổ sung, qua làm tăng hiệu làm việc BXT 58 Hình 38 Phân bố vận tốc khí thải khơng khí với góc phun khác Hình 3.39 thể phân bố nhiệt độ hỗn hợp khí đường ống thải Các vị trí khảo sát bao gồm ba mặt cắt (hình 3.33) mặt cắt A-A phía trước, B-B phía sau cách vịi phun 10mm, mặt cắt C-C tương ứng với đầu đoạn ống thải khảo sát Kết cho thấy nhiệt độ đầu dịng khí (mặt cắt C-C) nằm khoảng 730 ÷ 740K (457 ÷ 4760C), nhiệt độ nằm phạm vi làm việc hiệu BXT (t > 350oC), q trình phun khơng khí vào đường thải khơng ảnh hưởng đến nhiệt độ làm việc hiệu BXT 59 Hình 39 Phân bố nhiệt độ khí thải khơng khí  thay đổi từ 0o ÷ 180o 3.5.2 Đánh giá mức độ hịa trộn khơng khí khí thải Mức độ hịa trộn khơng khí khí thải đánh giá thơng qua hệ số lưu lượng kk (Air Volume Fraction) tính tốn theo công thức: kk  Gkk Gkk  Gkt (3.7) Trong Gkk: Lưu lượng khơng khí bổ sung phân tố khảo sát, Gkt lưu lượng khí thải phân tố khảo sát Áp dụng công thức 2.1 2.2, công thức (3.4) biến đổi sau: 60 kk  G kk G nl (  0 )(A / F) (  0 )(A / F)   G kk  G kt G nl (  0 )(A / F)  G nl (0 (A / F)  1)  (A / F)  (3.8) Trong λ0 hệ số dư lượng khơng khí khơng có bổ sung khơng khí (λ0=0,88 - bảng 1); λ hệ số dư lượng khơng khí đường thải có bổ sung khơng khí Bộ xúc tác hoạt động hiệu   (0,975    1,025), thay giá trị λ λ0 vào (3.5), hệ số lưu lượng khơng khí (kk) xác định sau: +Với  = 0,975 kk  (  0 )(A / F) (0,975  0,88).14,49   0,091  (A / F)  0,975.14,49  (3.9) + Với  = 1,025 kk  (  0 )(A / F) (1,025  0,88).14,49   0,133  (A / F)  1,025.14,49  (3.10) Như vậy, vùng hòa trộn hiệu đường thải vùng có hệ số lưu lượng kk nằm khoảng 0,091 0,133 61 Hình 40 Hệ số lưu lượng khơng khí mặt cắt C-C 62 Hình 41 Tỷ lệ % theo kk (0,091 0,133) mặt cắt C-C Hình 3.40 thể kết mơ hệ số lưu lượng khơng khí kk phía cuối đường ống (mặt cắt C-C) Kết tổng hợp hình 3.41 cho thấy diện tích vùng có hệ số kk vùng giới hạn hoạt động hiệu BXT (0,0910,133) tăng tăng góc nghiêng β đạt giá trị lớn với góc phun  = 120o (kk đạt tới 33,4%) Nguyên nhân tượng tượng rối xốy dịng khí, phun ngược hướng di chuyển dịng khí thải từ làm cải thiện mức độ hịa trộn dịng mơi chất 63 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4.1 Kết luận Trong nghiên cứu này, sử dụng phương pháp CFD để mô q trình phun khơng khí đường thải xe máy, từ đánh giá mức độ hịa trộn khơng khí khí thải Kết mơ cho thấy việc bố trí hướng dịng khí bổ sung ngược chiều với dịng khí thải làm tăng chuyển động xốy rối qua làm tăng mức độ hịa trộn hai dịng khí Với góc phun β = 120o hịa trộn hai dịng khí tốt với vùng có hệ số dư lượng khơng khí  từ 0,975 đến 1,025 (vùng hoạt động hiệu xúc tác) đạt tới 33,4% Từ kết sở quan trọng để em nghiên cứu tiến hành thiết kế xây dựng hệ thống bổ sung khơng khí vào đường thải động 4.2 Hướng phát triển đề tài Thiết kế hệ thống tự động bổ sung khơng khí xe máy sử dụng chế hịa khí Nghiên cứu nâng cao hiệu xử lý phát thải NOx bổ sung không khí đường thải Nghiên cứu thay hệ thống bổ sung khơng khí hệ thống bổ sung O2 đường thải 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://what-when-how.com/automobile/air-injection-system-automobile/ [2].https://xeco.wordpress.com/2009/07/06/bo-xu-ly-khi-thai-ais-air-inductionsystem/ [3] Trần Anh Trung, Nguyễn Duy Tiến, Phạm Hữu Tuyến; Nghiên cứu trình cháy động sử dụng nhiên liệu xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lên tới 100%; Tạp chí khoa học cơng nghệ Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, ISSN 18593585, Số 27, 04/2015 [4] Nguyễn Thế Lương; Báo cáo kết nghiên cứu nội dung 5.1: Tính tốn thiết kế lõi xúc tác phù hợp cho ôtô sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn, 12/2017 [5] Phạm Minh Tuấn; Lý thuyết Động Đốt trong; NXB Khoa học kỹ thuật [6] Nguyễn Tất Tiến Vũ Thị Lạt; Hệ thống nhiên liệu tự động điều chỉnh tốc độ động đốt trong; ... CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN Q TRÌNH HỊA TRỘN GIỮA KHÍ THẢI VÀ KHƠNG KHÍ BỔ SUNG TỪ ĐĨ TÌM VỊ TRÍ, GĨC PHUN PHÙ HỢP VÀO ỐNG THẢI ĐỘNG CƠ MỘT XYLANH 28 2.1 Xác định lượng khơng khí. .. 28 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN Q TRÌNH HỊA TRỘN GIỮA KHÍ THẢI VÀ KHƠNG KHÍ BỔ SUNG TỪ ĐĨ TÌM VỊ TRÍ, GĨC PHUN PHÙ HỢP VÀO ỐNG THẢI ĐỘNG CƠ MỘT XYLANH Trong chương 1, nhận thấy động xe Zip... hịa trộn khí thải khơng khí bổ sung để tìm vị trí, góc phun phù hợp vào ống thải động xylanh? ?? Nội dung đề tài gồm nội dung: Nội dung 1: Tổng quan việc bổ sung khơng khí đường thải, tìm hiểu xúc