Nghiên cứu giảm thời gian cháy ở động cơ cng chuyển đổi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu giảm thời gian cháy động CNG chuyển đổi NGUYỄN NHƯ THÀNH Thanh.nn202129M@sis.hust.edu.vn Hệ thống động lực Ơ tơ Giảng viên hướng dẫn: TS Trần Đăng Quốc Chữ ký GVHD Khoa: Cơ khí động lực HÀ NỘI, 03/2022 Lời cảm ơn Để hoàn thành luận văn em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo thuộc nhóm chun mơn hệ thống động lực Ơ tơ, khoa Cơ khí Động lực, trường Cơ khí tận tình hướng dẫn em suốt trình học tập, nghiên cứu rèn luyện Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy giáo hướng dẫn TS Trần Đăng Quốc, giảng viên khoa Cơ khí Động lực, Trường Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, người trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành luận văn Mặc dù em cố gắng hoàn thành luận văn cách hoàn chỉnh song tiếp cận với phần mềm AVL-Boost kiến thức hạn chế nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót mà thân chưa thấy Nên em mong nhận góp ý Thầy, Cơ giáo để luận văn hoàn chỉnh Cuối em xin kính chúc Thầy, Cơ giáo nhóm chun mơn hệ thống động lực Ơ Tơ có sức khỏe dồi để truyền đạt lại kiến thức cho hệ mai sau Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Học viên thực Nguyễn Như Thành Tóm tắt nội dung luận văn Được phân công hướng dẫn Thầy giáo TS Trần Đăng Quốc em thực đề tài: “Nghiên cứu giảm thời gian cháy động CNG chuyển đổi” Mục tiêu cụ thể luận văn chia thành ba nội dung ba chương: Chương Tổng quan khí thiên nhiên giải pháp chuyển đổi động CNG Chương Cơ sở lý thuyết cháy chuyển đổi động diesel xylanh thành động CNG cấp nhiên liệu đường ống nạp Chương Nghiên cứu giảm thời gian cháy động CNG chuyển đổi Học viên thực Nguyễn Như Thành Mục lục Danh mục hình ảnh Danh mục bảng biểu CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHÍ THIÊN NHIÊN VÀ CÁC GIẢI PHÁP CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ CNG 1.1 Tổng quan khí thiên nhiên 1.1.1 Sự hình thành trữ lượng khí thiên nhiên 10 1.1.1.1 Sự hình thành khí thiên nhiên 10 1.1.1.2 Q trình sử dụng khí thiên nhiên 11 1.1.1.3 Phân loại 11 1.1.2 Ưu nhược điểm khí thiên nhiên so với xăng diesel 12 1.1.2.1 Thành phần hóa học .12 1.1.2.2 Đặc tính nhiên liệu CNG so với nhiên liệu truyền thống 13 1.2 1.1.3 Nhiệt trị cháy (Heating Value-HV) .14 1.1.4 Chỉ số methane (Methane Number) .14 1.1.5 Chỉ số Wobbe (Wobbe Index) .15 Các giải pháp chuyển đổi động CNG 15 1.2.1 Động lưỡng nhiên liệu 15 1.2.1.1 Động xăng CNG 16 1.2.1.2 Động diesel CNG 18 1.2.2 Động sử dụng nhiên liệu CNG (Single fuel) 21 1.2.2.1 Phun nhiên liệu gián tiếp .21 1.2.2.2 Phun nhiên liệu trực tiếp 25 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHÁY VÀ CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ DIESEL MỘT XYLANH THÀNH ĐỘNG CƠ CNG CẤP NHIÊN LIỆU TRÊN ĐƯỜNG NẠP 26 2.1 Động CNG chuyển đổi cấp nhiên liệu đường nạp 26 2.1.1 Hệ thống cấp nhiên liệu .26 2.1.2 Hệ thống đánh lửa 27 2.1.3 Hệ thống làm mát bôi trơn 27 2.1.4 Giảm tỷ số nén 28 2.1.5 Chạy thử nghiệm động sau chuyển đổi 28 2.2 Cơ sở lý thuyết cháy 29 2.2.1 Tổng quan cháy cưỡng 30 2.2.2 Cháy nghèo .31 2.2.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến thời gian cháy .32 2.2.3.1 Tốc độ lửa Laminar 32 2.2.3.2 Ngọn lửa hỗn loạn 35 2.3 Cơ sở lý thuyết xây dựng mơ hình phần mềm AVL Boost 35 2.3.1 Cơ sở lý thuyết phần mềm 35 2.3.1.1 Phương trình nhiệt động thứ 35 2.3.1.2 Truyền nhiệt 38 2.3.1.3 Mơ hình cháy Fractal 42 2.3.2 Mô động CNG chuyển đổi .47 2.3.2.1 Lựa chọn phần tử cho mơ hình kết nối phần tử 47 2.3.2.2 Nhập liệu cho mơ hình 49 2.3.3 Hiệu chuẩn động mô 59 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU GIẢM THỜI GIAN CHÁY TRÊN ĐỘNG CƠ CNG CHUYỂN ĐỔI 63 3.1 Ảnh hưởng độ sâu đỉnh piston đến động học dịng khí bên xylanh 63 3.2 Ảnh hưởng vị trí đặt bugi đến thời gian cháy .67 3.3 Ảnh hưởng vị trí tâm lõm đỉnh piston đến thời gian cháy 68 3.4 Ảnh hưởng thời điểm đánh lửa đến thời gian cháy 68 3.5 So sánh ảnh hưởng vị trí đặt bugi tâm lõm đỉnh piston đến thời gian cháy… 69 3.6 Kết luận .70 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO .72 Danh mục hình ảnh Hình 1 So sánh giá nhiên liệu CNG so với nhiên liệu truyền thống 10 Hình Sơ đồ hệ thống nhiên liệu Xăng CNG song song 16 Hình Sơ đồ hệ thống nhiên liệu CNG lắp đường nạp động diesel 18 Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống lưỡng nhiên liệu Diesel- CNG Bosch xe buýt 20 Hình Phương án cấp CNG sử dụng họng khuếch tán 22 Hình Phương án cấp CNG sử dụng hòa trộn kết hợp với van tiết lưu van điện từ 23 Hình Phương án phun CNG đường nạp 24 Hình Phương án phun trức tiếp CNG vào buồng cháy 25 Hình Quá trình cháy động làm việc theo chu trình Otto 31 Hình 2 Sơ đồ mặt trước lửa không gian 32 Hình Sơ đồ mặt trước lửa cong kéo dài 34 Hình Cân lượng xylanh 36 Hình Sự tiếp xúc thành xylanh lửa 47 Hình Động nghiên cứu mô AVL Boost 48 Hình Cửa số nhập thơng số phần tử động 51 Hình Cửa số nhập thơng số cho mơ hình tính ma sát động 52 Hình Cửa số nhập thơng số cho phần tử xylanh động 52 Hình 10 Cửa sổ lựa chọn mơ hình cháy cho mơ hình mơ 53 Hình 11 Các thơng số nhập vào mơ hình cháy Fractal 53 Hình 12 Các thơng số hàm tính trị số Octan yêu cầu 54 Hình 13 Cửa số nhập thông số cho phần Heat Tranfer 54 Hình 14 Nhập thơng số điều khiển vịi phun nhiên liệu 57 Hình 15 Thơng số đường ống nạp 58 Hình 16 Động nghiên cứu QTC2015 lắp đặt phòng thử nghiệm 59 Hình 17 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 60 Hình 18 Hình dạng buồng cháy thay đổi 61 Hình Sự thay đổi tỷ sốVsp/Sptb theo góc quay trục khuỷu (α) 63 Hình Cường độ rối thay đổi theo góc quay trục khuỷu 64 Hình 3 Thời gian cháy góc đánh lửa tối ưu theo độ sâu đỉnh piston 65 Hình Áp suất xylanh thay đổi theo góc quay trục khuỷu 66 Hình Tổn thất nhiệt cho thành, vách buồng cháy theo độ sâu đỉnh piston 66 Hình Thời gian cháy theo vị trí dịch chuyển bugi 67 Hình Thời gian cháy theo vị trí tâm lõm đỉnh piston 68 Hình Thời gian cháy theo góc đánh lửa 68 Hình Thời gian cháy thay đổi theo vị trí đặt bugi (OS) tâm lõm đỉnh piston (OB) 69 Danh mục bảng biểu Bảng 1 Các thành phần khí thiên nhiên trước tinh chế 12 Bảng Bảng so sánh đặt tính CNG với xăng diesel 13 Bảng Các hệ số xupap nạp xupap thải 42 Bảng 2 Các phần tử mơ hình động 48 Bảng Thông số kỹ thuật động 49 Bảng Thông số nhập điều kiện biên đầu vào 50 Bảng Thông số nhập điều kiện biên đầu 50 Bảng Độ nâng hệ số lưu lượng xupap 55 Bảng Các thông số nhập cho phần tử Measuring Point 59 ĐẶT VẤN ĐỀ Lý chọn đề tài Phát triển kinh tế gắn liền với yêu cầu lượng, giao thông vận tải ngành tiêu thụ lượng đứng thứ hai sau công nghiệp, ngành dịch vụ thương mại, dân dụng nông nghiệp Nguồn lượng sử dụng cho ngành giao thông nước ta chủ yếu nhiên liệu hoá thạch, theo số liệu thống kê trữ lượng cịn có giá thành cao Với tốc độ bán xe thị trường nay, mức tiêu thụ nhiên liệu gốc dầu mỏ nước ta tăng nhanh Mặt khác, động đốt trang bị phương tiện vận tải đường sắt, đường thuỷ đường bộ, hay trang thiết bị động lực khác phục vụ lĩnh vực như: nơng, lâm, ngư nghiệp thải ngồi lượng lớn khí thải độc hại Chính khí thải ngun nhân góp phần gây nhiễm mơi trường khơng khí nước ta, đặc biệt thành phố lớn nơi tập trung đông dân cư Ngày 11 tháng 02 năm 2020, Bộ Chính trị nghị số 55-NQ/TW định hướng Chiến lược phát triển lượng quốc gia Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2045 Nội dung đạo Nghị đề cập đến “Ưu tiên phát triển lượng nhanh bền vững, trước bước, gắn với bảo vệ mơi trường sinh thái, bảo đảm quốc phịng, an ninh, thực tiến công xã hội có ý nghĩa đặc biệt quan trọng, nhiệm vụ trọng tâm xun suốt q trình cơng nghiệp hố, đại hoá đất nước” Trong phần “Nhiệm vụ giải pháp chủ yếu” Nghị Quyết rõ “Phát triển cơng nghiệp khí, ưu tiên đầu tư hạ tầng kỹ thuật phục vụ nhập tiêu thụ khí hố lỏng (LNG: Liquefied Natural Gas)” Khí hố lỏng chiếm 1/600 thể tích so với khí thiên nhiên điều kiện tiêu chuẩn (15 độ C, atm), LNG sản phẩm khí thuận tiện cho việc tồn chứa, vận chuyển từ nơi sản xuất đến thị trường tiêu thụ giới Phương tiện vận chuyển chủ yếu tàu LNG với tải trọng từ 170,000 m3 đến 260,000 m3, tải trọng phổ biến từ 155,000 m3 đến 170,000 m3 Sau vận chuyển đến nơi tiêu thụ, LNG chuyển trở lại trạng thái khí qua thiết bị tái hóa khí sau bơm vào đường ống vận chuyển đến hộ tiêu thụ LNG sử dụng tương tự khí khơ phục vụ cho nhu cầu khí nhà máy điện, hộ công nghiệp, khu đô thị Hiện nay, nhiều nước giới LNG sử dụng làm nhiên liệu cho phương tiện giao thông vận tải: tàu biển, tàu hỏa xe vận tải nặng để giảm thiểu ô nhiễm môi trường Mặc dù mật độ tập trung LNG cao gấp 2.4 lần so với CNG LNG thường sử dụng để vận chuyển từ nơi sản xuất nhiên liệu đến nơi lưu trữ Tại nơi lưu trữ có thiết bị để chuyển đổi thành khí CNG lưu trữ bể chứa đặc biệt có áp suất khoảng 250 bar, khí chuyển cho xe vận tải chuyên dụng So với nhiên liệu truyền thống có gốc dầu mỏ (xăng diesel), đốt cháy khối lượng nhau, khí thiên nhiên giảm đến 20% lượng CO2, 30% lượng NOx, 70% SOx, lượng hydrocarbon thải giảm đến 50% so với động xăng Trong xilanh, khí CNG ảnh hưởng đáng kể đến thông số nhiệt động lực học điện tích q trình nèn Nén hỗn hợp khơng khí CNG tạo nhiệt độ thấp nhiều so với nén khơng khí Sự khác biệt kết tính chất vật lý hóa học khác chất khí, nhiệt độ dẫn nhiệt Trong trình nén, nhiệt độ cao cuối trình thấp khoảng 100o so với nén khơng khí, khoảng thời gian đánh lửa trễ phụ thuộc vào nhiệt độ áp suất Do hỗn hợp CNG khơng khí xilanh làm tăng độ trễ đánh lửa động so với dụng nhiên liệu Diesel Khí CNG tích lớn nhẹ khơng khí, tốc độ cháy chậm so với nhiên liệu xăng diesel đặc biệt khó khăn việc mở rộng giới hạn cháy nghèo Từ liệu thu thập thấy nghiên cứu phát triển động đốt sử dụng nhiên liệu CNG cần thiết phù hợp với điều kiện nước ta Trong đó, kết thu từ đề tài “Nghiên cứu giảm thời gian cháy động CNG chuyển đổi” góp phần phát triển hệ động CNG đạt hiệu suất nhiệt cao phù hợp với tiêu chuẩn khí thải hành Mục tiêu đề tài 2.1 Mục tiêu tổng quát Nâng cao công suất mô men động diesel xylanh sau chuyển đổi thành động cấp nhiên liệu CNG đường ống nạp 2.2 Mục tiêu cụ thể − Tìm hiểu tổng quan khí thiên nhiên: thành phần, ưu nhược điểm sử dụng so với nhiên liệu hóa thạch, giải pháp chuyển đổi động diesel sang sử dụng CNG phù hợp với điều kiện nước ta − Cơ sở lý thuyết cháy chuyển đổi động diesel xylanh thành động CNG cấp nhiên liệu đường ống nạp − Nghiên cứu nhân tố ảnh hưởng đến thời gian cháy động CNG chuyển đổi Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu Động diesel xylanh sau chuyển đổi thành động xylanh cấp nhiên liệu đường ống nạp 3.2 Phạm vi nghiên cứu Mối quan hệ thơng số hình học làm việc đến mô men công suất tổng thời gian cháy hỗn hợp Phương pháp nghiên cứu Để đạt mục tiêu đề ra, luận văn kết hợp phương pháp nghiên cứu sau: hệ thống tổng quan vấn đề liên quan đến đề tài, xây dựng sở Các điểm đo (Measuring Point): Các phần tử điểm đo gắn đường ống xác định khoảng cách từ đầu đoạn ống tới vị trí đo, thơng số nhập theo bảng 2.7 Bảng Các thông số nhập cho phần tử Measuring Point Điểm đo Vị trí tính từ đầu đoạn ống chứa điểm đo (mm) MP 20 MP 20 MP 20 MP 20 MP 20 MP 20 MP 20 2.3.3 Hiệu chỉnh động mơ Hình 16 Động nghiên cứu QTC2015 lắp đặt phòng thử nghiệm Hiệu chuẩn động mô tiến hành dựa sở số liệu thực nghiệm động QTC2015 hình 2.16 sơ đồ thí nghiệm hình 2.17, tỷ số nén động điều chỉnh ε = 10 để tránh xảy tượng kích nổ suốt trình thử nghiệm thu thập số liệu, nhiên liệu sử dụng nghiên cứu CH4 = 100% Sự sai lệch kết mô thực nghiệm lớn khoảng 3%, 59 với kết sai lệch cho phép sử dụng động mơ để tiến hành phương pháp thí nghiệm khác Hình 17 Sơ đồ bố trí thí nghiệm Sự vận động dịng khí bên xylanh động đốt coi dịng chảy rối có động thay đổi phức tạp Động hỗn hợp xylanh động thay đổi phụ thuộc chủ yếu vào hai thông số: tiết diện lưu thông cửa nạp tốc độ dịch chuyển piston Ban đầu động hỗn hợp nhiên liệu khơng khí tăng dần lên kết thúc trình nạp giá trị động giảm nhanh piston khoảng gần phần ba hành trình kỳ nén Tuy nhiên, piston động tiếp tục di chuyển hướng điểm chết (TDC) giá trị động tăng lên nhanh phần cịn lại hành trình nén Nhờ vậy, động nhiệt độ dịng khí tăng lên đáng kể so với trình nạp piston tiếp tục dịch chuyển hướng điểm chết kỳ nén Để tận dụng ưu điểm chuẩn bị tốt cho q trình cháy cần phải có hình dạng piston phù hợp để hướng cho dịng khí đến nguồn lửa với mật độ tập trung cường độ khuếch tán phù hợp suốt trình cháy Với cường độ khuếch tán phù hợp làm tăng số lượng chất tham gia vào phản ứng ơxi hóa khử, khơng rút ngắn thời gian cháy mà hạn chế tổn thất nhiệt suốt trình cháy xảy bên xilanh động kết nâng cao hiệu suất nhiệt động Cường độ khuếch tán dịng khí đánh giá thơng số cường độ rối u ' , cường độ rối u ' tăng tăng tốc độ cháy khuếch tán ST, dmb khối lượng hỗn hợp đốt cháy đơn vị thời gian tăng ( ) dt nhân tố làm tăng Me Ne động Ngun nhân tăng cường độ rối xylanh động kỳ nén piston lên điểm chết tượng hỗn hợp khí bị chèn ép lại đỉnh piston nắp máy Đối với động Diesel, cường độ rối u ' phụ thuộc chủ yếu vào hai thơng số kích thước đỉnh piston: Đường kính phần khoét lõm Db độ sâu phần khoét lõm Hb 60 2.3.4 Điều khiển mơ hình Hình 18 Hình dạng buồng cháy thay đổi Để thu kết nghiên cứu ảnh hưởng chiều sâu phần khoét lõm đỉnh piston (Hb), vị trí tâm lõm đỉnh piston (OB) vị trí đặt bugi (OS) đến thời gian cháy động cháy cưỡng cấp nhiên liệu đường nạp, điều kiện thí nghiệm thực sau: Hướng đến điều kiện hịa trộn lý tưởng khơng khí nhiên liệu trước hình thành màng lửa phù hợp với lựa chọn mơ hình cháy Fractal, giá trị lambda cố định λ = Độ mở bướm ga (WOT: Wide Open Throttle) 100% nhằm loại bỏ ảnh hưởng vấn đề tổn thất đường ống trình nạp Thời điểm đánh lửa sớm (IT: early Ignited Timing) lúc đầu điều chỉnh để đạt giá trị mô men lớn nhất, tốc độ động mô cố định n = 1800 (vòng/phút) Hướng đến kết cải thiện đặc tính làm việc động Diesel chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu CNG, chiều sâu phần khoét lõm đỉnh piston cố định giá trị Hb = (mm) (đỉnh phẳng), Hb = 10; 17,5 25(mm) Vị trí tâm phần khoét lõm đỉnh piston OB so với tâm xylanh động cố định giá trị OB= (mm) (tâm phần khoét lõm đỉnh piston trùng với tâm xylanh động cơ), OB = 2; 4; (mm) theo thứ tự Vị trí thay đổi bugi cố định giá trị OS= 0; 2; 4; (mm) hình 2.18 Để hướng đến kết cải thiện đặc tính làm việc động Diesel chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu CNG, điều kiện nghiên cứu tiến hành sau: ➢ Wide Open Throttle (WOT): Bướm ga mở hoàn toàn để hạn chế cản đường ống nạp nhỏ ➢ Để đánh giá ảnh hưởng thơng số Hb đến đặc tính làm việc động cơ, lượng nhiên liệu cấp cho động giữ không đổi với Gnl = 0,755 (g/s) ➢ Để tránh ảnh hưởng động dịng khí nạp đến chất lượng làm việc động cơ, hình dạng tổng cản đường ống nạp giữ ngun 61 suốt q trình chạy mơ Thêm vào đó, tốc độ động mơ cố định n = 1800 vòng/phút BTDC: Before Top Dead Center Góc đánh lửa sớm hiệu chỉnh trước điểm chết với bước thay đổi ∆IT = cho động đạt Mô-men lớn ứng với giá trị Hb 62 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU GIẢM THỜI GIAN CHÁY TRÊN ĐỘNG CƠ CNG CHUYỂN ĐỔI 3.1 Ảnh hưởng độ sâu đỉnh piston đến động học dịng khí bên xylanh Nắp xylanh động Diesel thường có dạng phẳng, để tăng cường độ khuếch tán phù hợp mà khơng phải thay đổi nhiều kết cấu thay đổi hình dạng đỉnh piston Các nghiên cứu trước hình dạng đỉnh piston nhân tố quan trọng để cải thiện tổn thất nhiệt vận tốc trượt ngang phân tử piston di chuyển hướng điểm chết [22] Trong trình piston di chuyển lên điểm chết làm cho thể tích bên buồng cháy bị thu hẹp lại, hỗn hợp bên xylanh động bị chèn ép chuyển động hỗn loạn Hiện tượng phân tử chuyển động theo phương song song với mặt phẳng đỉnh piston có xu hướng vào vùng thể tích lớn gọi Squish, cường độ Squish lớn piston điểm chết [23] Với mục đích sử dụng Squish để cải thiện chất lượng trình cháy, nghiên cứu giữ đường kính phần kht lõm (Db) khơng thay đổi thay đổi thông số chiều sâu lõm (Hb) Hình 3.1 biểu diễn thay đổi tỷ số vsq/sptb theo góc quay trục khuỷu (α) ứng với giá trị độ sâu Hb đỉnh piston điều kiện ɛ, n Db số Khi tăng độ sâu Hb đỉnh piston tăng tỉ số vsq/sptb giá trị lớn vsq/sptb theo góc quay trục khuỷu xuất trước 360o góc quay trục khuỷu (TDC: trước điểm chết trên) Từ kết suy ra, ảnh hưởng độ sâu phần khoét lõm đỉnh piston đến động học dịng khí bên xylanh động lớn Để làm rõ cần xem xét thay đổi cường độ rối ( u ' ) theo góc quay trục khuỷu giá trị Hb khác ε = 10; WOT n = 1800 rpm Db = constant vsq/Sptb 1.6 Hb = 10 Hb = 17.5 Hb = 25 1.2 0.8 0.4 300 310 320 330 340 Góc quay trục khuỷu, α (deg) 350 360 Hình Sự thay đổi tỷ sốVsp/Sptb theo góc quay trục khuỷu (α) 63 Hình Cường độ rối thay đổi theo góc quay trục khuỷu Hình 3.2 biểu diễn cường độ rối môi chất xylanh động thay đổi theo góc quay trục khuỷu ứng với bốn giá trị Hb khác Quan sát kết hình vẽ khoảng từ 0o đến 720o góc quay trục khuỷu, cường độ rối (u’) có hình dạng tương đối giống xylanh có quy luật thay đổi tương đối giống Với Hb = (mm) Hb = 10 (mm), cường độ rối nhau, nhiên quy luật lại khác hoàn toàn Hb = 17,5 (mm) Cường độ rối phần tử khí xylanh lớn góc quay trục khuỷu gần đến α = 180o, tương ứng với hành trình piston dịch chuyển gần đến điểm chết Khi góc quay trục khuỷu tiếp tục tăng lên lúc tiết diện lưu thơng dịng khí đóng dần lại nên cường độ rối dịng mơi chất xylanh giảm Xu hướng giảm tiếp tục piston bắt đầu di chuyển hướng điểm chết kỳ nén với góc quay trục khuỷu khoảng α = 180o ÷ 360o Tuy nhiên ảnh hưởng độ sâu đỉnh piston (Hb) đến cường độ rối (u’) mạnh so với góc quay trục khuỷu, kết thu cho thấy với Hb = (mm), cường độ rối (u’) có xu hướng giảm góc quay trục khuỷu tiếp tục lớn 180o mà không quan tâm đến kỳ động Khi tăng Hb lại giá trị Hb = 10; 17,5 25 (mm) cường độ rối xylanh động thay đổi rõ kỳ nén, cháy giãn nở, kỳ thải Ảnh hưởng Hb đến u’ rõ ràng piston phần ba hành trình kỳ nén (α = 180o ÷ 240o), tốc độ giảm u’ chậm so với Hb = (mm) Khi piston tiếp tục thực q trình nén cường độ rối có xu hướng tăng trở lại, piston tiến gần đến điểm chết cường độ rối lại có xu hướng tăng lên, đặc biệt Hb = 17,5 (mm) cường độ rối đạt giá trị lớn điểm gần sát với điểm chết Đây kết mong đợi để thiện đồng thời khả dễ cháy hỗn hợp tăng số lượng chất tham gia phản ứng tách chất cháy khỏi phản ứng cháy Để giải thích ảnh hưởng Hb đến cải thiện u’ xyanh động tận dụng tượng Squish xuất bên xylanh động gần cuối kỳ nén Từ cải thiện u’ gần cuối kỳ nén mà 64 Thời gian cháy Δαc (deg) 140 30 Fuel: CNG ε = 10; WOT n = 1800 rpm Gnl = constant Db = constant 120 25 100 20 80 15 Δαc 60 10 IT (BTDC) 40 Góc đánh lửa tối ưu, IT (BTDC) vận tốc cháy khuếch tăng lên dáng kể so với piston đỉnh phẳng (Hb = 0), nhờ chất tham gia phản ứng xi hóa khử tăng lên, rút ngắn thời gian cháy Hình 3.3 thể thời gian cháy (Δ𝛼𝑐 ) hỗn hợp bên xylanh động góc đánh lửa tối ưu (IT = MBT) theo độ sâu Hb đỉnh piston điều kiện chạy mô phỏng: Tốc độ động giữ cố định n = 1800 vòng/phút, lượng nhiên liệu cấp cho chu trình cố định Gnl = 0,755 (g/s) tương đương lượng nhiên liệu cấp cho chu trình Gct = 0,05 (g/ct), đường kính phần khoét lõm đỉnh piston giữ không đổi Db = 66 (mm) Khi độ sâu Hb tăng, thời gian cháy (Δ𝛼𝑐 ) góc đánh lửa có xu hướng thay đổi giống giảm xuống đạt giá trị nhỏ nhất, sau lại có xu hướng tăng lên Hb có giá trị lớn Thời gian cháy (Δ𝛼𝑐 ) ngắn Hb = 17,5 (mm) giảm khoảng 43% so với thời gian cháy Hb = Kết động học động lực học dịng mơi chất (nhiên liệu khơng khí) bên xylanh động tăng lên đáng kể, lượng nhiên liệu đưa vào đốt cháy khoảng thời gian ngắn Do rút ngắn thời gian đốt cháy hỗn hợp bên xylanh nên giảm tổn thất nhiệt truyền cho piston nắp máy Tuy nhiên tượng tổn thất nhiệt truyền cho piston bắt đầu tăng Hb lớn 17,5 (mm) mơ men, cơng suất, hiệu suất nhiệt dự báo có xu hướng giảm suất tiêu hao nhiên liệu có xu hướng tăng Để làm rõ ảnh hưởng hình dạng piston tới đặc tính làm việc động hay cụ thể chất lượng trình cháy cần phải xem xét ảnh hưởng hình dạng piston tới diễn biến áp suất xylanh động 5 10 15 20 Độ sâu đỉnh piston, Hb (mm) 25 Hình 3 Thời gian cháy góc đánh lửa tối ưu theo độ sâu đỉnh piston 65 Hình Áp suất xylanh thay đổi theo góc quay trục khuỷu Hình 3.4 biểu diễn đường áp suất xylanh theo góc quay trục khuỷu ứng với giá trị Hb đỉnh piston điều kiện mô Ảnh hưởng Hb đến áp suất xylanh rõ cuối trình nén phần đầu trình cháy-giãn nở Khi Hb tăng, áp suất xylanh động đạt giá trị lớn sau điểm chết khoảng 13o góc quay trục khuỷu Nguyên nhân làm thay đổi áp suất xylanh cường độ rối phân tử bên xylanh động tăng lên piston tiến gần sát đến điểm chết Tuy nhiên phần diện tích xung quanh buồng cháy bị tăng lên giá trị Hb tăng, khả làm tăng tổn thất nhiệt cho đỉnh piston tăng Hình Tổn thất nhiệt cho thành, vách buồng cháy theo độ sâu đỉnh piston Hình 3.5 thể nhiệt truyền thành, vách buồng cháy Hb thay đổi Tổn thất nhiệt có xu hướng giảm nhanh đạt giá trị nhỏ Hb = 10 (mm), sau tổn thất nhiệt lại có xu hướng tăng lên chút Hb lớn Với Hb = (mm), dạng buồng cháy gọn với diện tích xung quanh nhỏ ɛ = 10, 66 thời gian cháy kéo dài nên nhiệt truyền cho thành vách lớn Với Hb = 10 (mm), có tổn thất nhiệt nhỏ so với Hb = 17,5 (mm) vận tốc rối bên xylanh động nhỏ áp suất xylanh động nhỏ Tại giá trị Hb = 25 (mm), áp suất cực đại xylanh động lớn so với Hb = 17,5 (mm) diện tích buồng cháy lớn nên phần nhiệt sinh không đủ đề bù cho phần nhiệt bị mát cho thành buồng cháy nên đặc tính làm việc động không cải thiện 3.2 Ảnh hưởng vị trí đặt bugi đến thời gian cháy Hình Thời gian cháy theo vị trí dịch chuyển bugi Hình 3.6 thể thời gian cháy (Δ𝛼𝑐 ) hỗn hợp bên xylanh động theo vị trí đặt bugi, trường hợp đường tâm phần thể tích đỉnh piston trùng với đường tâm xylanh (OB = 0) Khi vị trí bugi (OS) dịch chuyển khỏi tâm xylanh, thời gian cháy có xu hướng tăng nhanh ɛ = 10 ε = 11,5 Với điều kiện mơ phỏng, vị trí bugi dịch chuyển khỏi tâm xylanh (OS > 0), thời gian cháy hai tỉ số nén có xu hướng thay đổi giống Khi bugi dịch chuyển khoảng từ đến (mm), thời gian cháy tăng nhanh (khoảng 90%) so với vị trí khơng dịch chuyển (OS = 0) Kết vị trí đặt bugi có ảnh hưởng lớn đến thời gian cháy hỗn hợp bên xylanh động cơ, độ lệch tâm bugi lớn thời gian cháy tăng Với khoảng cách dịch chuyển thời gian cháy trường hợp tỷ số nén ε = 11,5 lớn thời gian cháy trường hợp có tỷ số nén ε = 10 Tại vị trí dịch chuyển (mm), thời gian cháy trường hợp ε = 11,5 lớn khoảng 10o góc quay trục khuỷu so với trường hợp ε = 10 Quan sát kết thu hình vẽ kết luận tăng tỷ số nén vị trí bugi lệch so với tâm lõ đỉnh piston làm tăng thời gian cháy Nhưng ảnh hưởng vị trí đặt bugi đến thời gian cháy lớn so với ảnh hưởng tỷ số nén, nguyên nhân dẫn đến kết tổn thất nhiệt truyền cho thành vách buồng cháy tăng 67 3.3 Ảnh hưởng vị trí tâm lõm đỉnh piston đến thời gian cháy Hình Thời gian cháy theo vị trí tâm lõm đỉnh piston Hình 3.7 kết thu thời gian cháy (Δ𝛼𝑐 ) thay đổi theo vị trí dịch chuyển tâm lõm đỉnh piston, trường hợp vị trí bugi đặt xylanh (OS = 0) không thay đổi suốt thời gian nghiên cứu Thời gian cháy (Δ𝛼𝑐 ) có xu hướng tăng tâm phần lõm đỉnh piston rời xa tâm xylanh, với giá trị OB, thời gian cháy ε = 10 nhỏ so với ε = 11,5 Kết cho thấy ảnh hưởng vị trí tâm lõm đỉnh piston đến thời gian cháy nhỏ so với tỷ số nén động Tăng tỷ số nén làm tăng đồng thời vận tốc Squish tổn thất nhiệt không giảm thời gian cháy 3.4 Ảnh hưởng thời điểm đánh lửa đến thời gian cháy Hình Thời gian cháy theo góc đánh lửa 68 Thời gian cháy (Δ𝛼𝑐 ) xác định hai thông số thời điểm bắt đầu thời gian đốt cháy, góc đánh lửa định trực tiếp đến thời điểm bắt đầu trình cháy Sau bugi bật tia lửa điện cần khoảng thời gian ngắn để hình thành tâm cháy, sau từ tâm cháy hình thành điểm lửa tạo thành màng lửa lan tràn xylanh [23] Góc đánh lửa lớn trước điểm chết trên, thời điểm bắt đầu cháy sớm, từ ảnh hưởng trực tiếp tới thời điểm áp suất đạt giá trị cực đại xylanh Hình 3.8 thể thay đổi thời gian cháy (Δ𝛼𝑐 ) theo góc đánh lửa (IT) Thời gian cháy có xu hướng giảm nhanh góc đánh lửa tăng lên, mức độ giảm tỷ số nén ε = 10 ε = 11,5 tương đương Với góc đánh lửa, thời gian cháy ε = 11,5 lớn so với ε = 10, góc đánh lửa tăng từ 12o lên 18o thời gian cháy giảm khoảng 20% Tại góc đánh lửa tăng tỷ số nén từ ε = 10 lên ε = 11,5 thời gian cháy tăng lên khoảng 7%, chứng tỏ tỷ số nén ảnh hưởng đến thời gian cháy so với góc đánh lửa 3.5 So sánh ảnh hưởng vị trí đặt bugi tâm lõm đỉnh piston đến thời gian cháy Để hiểu rõ mức độ ảnh hưởng vị trí đặt bugi vị trí tâm lõm đỉnh piston đến thời gian cháy, đồng thời xét xem trường hợp ảnh hưởng nhiều Nghiên cứu thực cách di chuyển vị trí tâm lõm đỉnh piston (OB) vị trí đặt bugi (OS) khoảng từ đến (mm) trường hợp nghiên cứu sau: Tâm lõm OB di chuyển bugi cố định vị trí tâm xylanh động cơ, tâm lõm OB cố định tâm xyalnh đổi vị trí đặt bugi, tâm lõm OB vị trí đặt bugi OS di chuyển so với tâm xylanh Trong nghiên cứu quy ước, OB = (mm) OS = (mm) phần tâm lõm vị trí đặt bugi trùng với tâm xylanh động Hình Thời gian cháy thay đổi theo vị trí đặt bugi (OS) tâm lõm đỉnh piston (OB) 69 Hình 3.9 thể thời gian cháy (Δ𝛼𝑐 ) hỗn hợp bên xy lanh động theo vị trí đặt bugi vị trí tâm lõm đỉnh piston, trường hợp cố định tỷ số nén góc đánh lửa Từ kết thu hình vẽ theo chiều vị trí dịch chuyển tăng, thời gian cháy có xu hướng tăng lên trường hợp Với điều kiện mô phỏng, OB OS di chuyển so với tâm xylanh làm tăng thời gian cháy, mức độ tăng trường hợp khác Tuy nhiên mức độ ảnh hưởng vị trí tâm lõm đỉnh piston đến thời gian cháy khơng mạnh so với vị trí đặt bugi, từ kết khẳng định vị trí tâm lõm vị trí đặt bugi phải trùng với tâm xylanh có thời gian cháy ngắn 3.6 Kết luận Phân tích kết thu từ mô ảnh hưởng thông số như: độ sâu lõm đỉnh piston, vị trí tâm lõm, vị trí đặt bugi thời điểm đánh lửa đến thời gian cháy, kết luận rút sau: − Tăng độ sâu phần khoét lõm đỉnh piston cải thiện động học dịng mơi chất mà cịn giảm thời gian cháy động diesel sử dụng nhiên liệu CNG Với độ sâu phần khoét lõm đỉnh piston Hb = 17,5 (mm) tận dụng tượng Squish để cải thiện trình cháy động diesel sử dụng nhiên liệu CNG mà không làm tăng tổn thất nhiệt cho thành vách buồng cháy − Ảnh hưởng vị trí đặt bugi đến thời gian cháy lớn so với ảnh hưởng tỷ số nén vị trí tâm lõm đỉnh piston Nguyên nhân làm cho thời gian cháy tăng tổn thất nhiệt truyền cho thành vách buồng cháy tăng khơng kiểm sốt động học buồng cháy − Để rút ngắn thời gian cháy động diesel sử dụng nhiên liệu CNG, vị trí đặt bugi vị trí tâm lõm đỉnh piston phải đặt trùng với đường tâm xy lanh, chiều sâu phần khoét lõm khoảng Hb = 17,5 (mm), thời điểm bugi bật tia lửa điện cần phải điều chỉnh sớm IT = 18o trước điểm chết 70 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Thực luận văn tốt nghiệp “Nghiên cứu giảm thời gian cháy động CNG chuyển đổi” cách sử dụng số liệu thực nghiệm ban đầu để xây dựng động mơ Từ phân tích kết thu luận văn em rút kết luận sau: − Hiểu tính chất lí hóa nhiên liệu CNG tình hình sử dụng nhiên liệu CNG phương tiện vận tải giới − Hiểu sở lý thuyết cháy chuyển đổi động diesel xylanh thành động CNG cấp nhiên liệu đường ống nạp − Hiểu phần mềm AVL Boost cách sử dụng − Kết cấu buồng cháy, vị trí bugi thời gian đánh lửa có ảnh hưởng tương đối lớn tới dòng động học bên buồng cháy Giúp cho thời gian cháy hỗn hợp rút ngắn động CNG xy lanh cấp nhiên liệu đường nạp − Những kết phân tích đánh giá dừng lại mức mô chưa có thực nghiệm Để kết mơ sử dụng cho định hướng thiết kế cần có đối chiếu động mơ động nghiên cứu thực nghiệm Vì vậy, em hi vọng kết mô tài liệu tham khảo thiết kế hệ thống cấp nhiên liệu để nâng cao hiệu suất nhiệt cho động CNG chuyển đổi Hướng phát triển: Mở rộng áp dụng động diesel hành Việt Nam chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên CNG cách hiệu quả, giảm yếu tố không mong muốn CNG so nhiên liệu xăng, diesesl - Góp phần phát triển hệ động CNG có công suất nhỏ với hiệu suất nhiệt cao phù hợp với điều kiện Việt Nam - 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Arumugam S Ramadhas, “Alternative fuels for Transportation”, 2011 [2] PGS Lê Anh Tuấn (Chủ biên), PGS Phạm Hữu Tuyến, PGS Văn Đình Sơn Thọ, Tủ sách ngành khí động lực “Nhiên liệu thay dùng cho động đốt trong”, Nhà xuất Bách Khoa Hà Nội, ISBN: 978-604-95-017-5 Thủ Tướng Chính Phủ, 2007 Quyết định 177/2007/QĐ-TTg việc phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” [3] R S Krishna,” Conversion of diesel engine to cng engine of commercial vehicles and emission control”, 2018 [4] Hannu Jääskeläinen,” Natural Gas Quality”, 2019 [5] BoYang, KeZeng,”Effects of natural gas injection timing and split pilot fuel injection strategy on the combustion performance and emissions in a dual-fuel engine fueled with diesel and natural gas”, 2018 [6] United nations,” Study on current status and perspectives for lng in the unece region”, chapter 4: interoperability and safety, 2013 [7] Jan Czerwinski, Pierre Comte and Yan Zimmerli,” Investigations of the Gas Injection System on a HD-CNG-Engine”, 2003 [8] J Czerwinski, P Comte, W Janach and P Zuber,” Sequential Multipoint TransValve-Injection for Natural Gas Engines”, 1999 [9] Lê Anh Tuấn, Trần Đăng Quốc, Phạm Thanh Tâm, Hoàng Anh Tuấn, Phạm Văn Việt,” Performance and combustion characteristics of a retrofitted CNG engine under various piston-top shapes and compression ratios”, 2020 [10] NCS Trần Thanh Tâm, KS Giang Trung Hiếu, ThS Nguyễn Minh Thắng, GS.TS Phạm Minh Tuấn, TS Trần Đăng Quốc, “Nghiên cứu mô ảnh hưởng độ sâu đỉnh piston đến thông số vận hành động xylanh sử dụng nhiên liệu CNG”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam số 1+2 năm 2019 [11] Jan Monieta, Lech Kasyk,” Optimization of Design and Technology of Injector Nozzles in Terms of Minimizing Energy Losses on Friction in Compression Ignition Engines”, 2021 [12] A Kushari,” Effect of injector geometry on the performance of an internally mixed liquid atomizer”, 2010 [13] Adiba Rhaodah Andsaler, Amir Khalid, Nor Sharifhatul Adila Abdullah, Azwan Sapit, Norrizam Jaat,” The effect of nozzle diameter, injection pressure and ambient temperature on spray characteristics in diesel engine”, 2017 [14] Dodge, L.G., T.W Ryan and M.G Ryan,” Effects of different injector hole shape on diesel sprays”, SAE Paper 920622, 1992 [15] Yanuandri Putrasari, Achmad Praptijantoa, Arifin Nura, Bambang Wahonoa, Widodo Budi Santosoa,” Evaluation of performance and emission of SI engine fuelled with CNG at low and high load condition”, 2015 72 [16] BoYang, KeZeng,” Effects of natural gas injection timing and split pilot fuel injection strategy on the combustion performance and emissions in a dual-fuel engine fueled with diesel and natural gas”, 2018 [17] Larry Carley,” Engine Air/Fuel Ratios”, 2019 [18] Stephen Turns and Daniel C Haworth,” An Introduction to Combustion”, 2012 [19] Glassman, J., Yetter, R.A,” Combustion, fourth ed Academic Press, Amsterdam”, 2008 [20] Libby, P.A., Williams, F.A (Eds.),” Turbulent Reacting Flows Academic Press”, 1994 [21] Ali Cemal Benim, Khawar Syed,” Flashback Mechanisms in Lean Premixed Gas Turbine Combustion, Chapter Concepts Related to Combustion and Flow in Premix Burners” 2015 [22] Jinlong Liu, Cosmin E Dumitrescu, “Analysis of two-stage natural-gas lean combustion inside a diesel geometry”, Applied Thẻmal Engineering 160 (2019) 114116 [23] Mahmut Kaplan, Review Article “Influence of swirl, tumble and squish flows on combustion characteristics and emissions in internal combustion engine- review”, International Journal of Automotive Engineering and Technologies, IJAET (2), pages: 83-102 73 ... pháp chuyển đổi động CNG − Chương Cơ sở lý thuyết cháy chuyển đổi động diesel xylanh thành động CNG cấp nhiên liệu đường ống nạp − Chương Nghiên cứu giảm thời gian cháy động CNG chuyển đổi CHƯƠNG... đến thời gian cháy động CNG chuyển đổi Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu Động diesel xylanh sau chuyển đổi thành động xylanh cấp nhiên liệu đường ống nạp 3.2 Phạm vi nghiên cứu. .. tài: ? ?Nghiên cứu giảm thời gian cháy động CNG chuyển đổi? ?? Mục tiêu cụ thể luận văn chia thành ba nội dung ba chương: Chương Tổng quan khí thiên nhiên giải pháp chuyển đổi động CNG Chương Cơ sở lý