22 Bùi Văn Ga, Bùi Văn Tấn, Nguyễn Văn Đông ẢNH HƯỞNG CỦA NHIÊN LIỆU, TỶ SỐ NÉN VÀ GÓC ĐÁNH LỬA SỚM ĐẾN QUÁ TRÌNH CHÁY HỖN HỢP XĂNG ETHANOL TRONG ĐỘNG CƠ DAEWOO EFFECTS OF FUEL COMPONENTS, COMPRESSION[.]
22 Bùi Văn Ga, Bùi Văn Tấn, Nguyễn Văn Đông ẢNH HƯỞNG CỦA NHIÊN LIỆU, TỶ SỐ NÉN VÀ GÓC ĐÁNH LỬA SỚM ĐẾN QUÁ TRÌNH CHÁY HỖN HỢP XĂNG - ETHANOL TRONG ĐỘNG CƠ DAEWOO EFFECTS OF FUEL COMPONENTS, COMPRESSION RATIO AND ADVANCE IGNITION TIMING TO COMBUSTION OF GASOLINE - ETHANOL BLENDED FUEL IN DAEWOO ENGINE Bùi Văn Ga1, Bùi Văn Tấn2, Nguyễn Văn Đông3 Bộ Giáo dục Đào tạo; buivanga@dongcobiogas.com Trường Cao đẳng Công nghiệp Thừa Thiên Huế Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng Tóm tắt - Bài báo trình bày kết nghiên cứu ảnh hưởng thành phần nhiên liệu, thông số kết cấu, vận hành đến trình cháy tính động đánh lửa cưỡng sử dụng xăng pha ethanol Khi tăng hàm lượng ethanol pha vào xăng từ 10% lên 20%, công thị chu trình động giảm nhẹ khoảng 1% giữ nguyên góc đánh lửa sớm Khi hàm lượng cồn xăng tăng tăng tỷ số nén động Với động Daewoo sử dụng xăng E15, tăng tỉ số nén từ 9,5 lên 10,3 cơng thị chu trình tăng khoảng 12% Góc đánh lửa sớm tối ưu động với tỷ số nén nguyên thủy 9,5 thay đổi từ 25 đến 32 phạm vi tốc độ động từ 1500 vịng/phút đến 4000 vịng/phút Góc đánh lửa sớm tối ưu giảm tăng tỷ số nén động tăng nhẹ theo hàm lượng cồn xăng Khi tăng hàm lượng cồn xăng từ 10% lên 20% góc đánh lửa sớm tối ưu tăng khoảng 2-3 tốc độ động 1500 vòng/phút Abtract - The paper presents the research results of effects of fuel components, structural and operational parameters on the combustion in spark ignition engines using gasoline-ethanol blended fuel The results have shown that while increasing ethanol content in fuel mixture from 10% to 20%, indicated engine cycle work slightly decreases about 1% if advanced ignition is kept constant Compression ratio of the engine can be increased with increasing methanol component in fuel mixture Indicated engine cycle work of Daewoo engines using E15 gasoline-ethanol blended fuel increases about 12% as compression ratio increases from 9.5 to 10.3 Optimal advanced ignition angle of Daewoo engines fueled with E15 with original compression ratio of 9.5 increases from 25 to 32 as engine speed increases from 1500rpm to 4000rpm Optimal advanced ignition angle decreases with increasing compression ratio but slightly increases with ethanol content in fuel mixture As ethanol content in fuel mixture increases from 10% to 20%, the optimal advanced ignition angle increases approximately 2-3 at the engine speed of 1500rpm Từ khóa – lượng tái tại; nhiên liệu thay thế, hịa trộn xăng-ethanol; mơ phỏng; Ansys Fluent Key words - Renewable energy; alternative fuel; gasoline-ethanol blended fuel combustion; modeling; Ansys Fluent Giới thiệu Xăng pha ethanol sử dụng rộng rãi nhiều nước giới với tỉ lệ pha chế khác Theo qui định Chính phủ Việt Nam, xăng pha 5% thể tích ethanol (gọi xăng E5) sử dụng rộng rãi toàn quốc từ ngày 1-12-2015 Ethanol hợp chất hữu cơ, nằm dãy đồng đẳng cồn etylic, có số octane cao so với xăng Do Ethanol sử dụng để nâng cao trị số octane nhiên liệu nhằm cải thiện hiệu trình cháy động đốt [1] Mustafa Koc nghiên cứu ảnh hưởng xăng pha ethanol E50 E85 đến tính động mức độ phát ô nhiễm tỷ số nén 10 11 tốc độ động biến thiên từ 1500 đến 5000 vòng/phút Kết cho thấy pha ethanol vào xăng, momen động tiêu hao nhiên liệu tăng, mức độ phát thải ô nhiễm giảm [2] Nghiên cứu cho thấy xăng pha ethanol cho phép tăng tỷ số nén động mà khơng xảy kích nổ Do nhiệt ẩn hóa ethanol nhiệt độ bốc cháy ethanol cao xăng nên thời gian cháy trễ ethanol bị kéo dài Vì vậy, để tăng hiệu động sử dụng xăng pha ethanol cần tăng góc đánh lửa sớm động theo hàm lượng ethanol Richie Daniel nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến tính động sử dụng xăng pha ethanol [3] Kết cho thấy tốc độ 1500 vịng/phút, góc đánh lửa sớm động sử dụng xăng khoảng 7-8, góc đánh lửa sớm ethanol khoảng 22 [3] Phuangwongtrakul thử nghiệm xăng pha cồn với thành phần khác Kết cho thấy momen lớn động chạy 5000 vịng/phút đạt với góc đánh lửa sớm 30, 35 40 ứng với xăng E10, E30 E85 [4] Hình Chia lưới xi lanh buồng cháy động Daewoo Trong nghiên cứu chúng tơi khảo sát q trình cháy tính động sử dụng xăng pha ethanol với hàm lượng khác Ảnh hướng góc đánh lửa sớm tỷ số nén động khảo sát, đánh giá Thí nghiệm tiến hành Trung tâm thí nghiệm động cơ-ơ tơ, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng Hệ thống thí nghiệm trang bị đồng hãng AVL Mô tả chi tiết hệ thống thí nghiệm động trình bày [5] Động Daewoo A16DMS cải tạo để thí nghiệm sử dụng hỗn hợp xăng pha ethanol Đó động kỳ, xi lanh, đường kính xi lanh 79mm, hành trình ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2015 piston 81,5mm, thể tích tổng cộng xi lanh 1598cm , tỉ số nén động 9,5 Công suất cực đại động sử dụng xăng 78kW 5800 vịng/phút Hỗn hợp nhiên liệu thí nghiệm E15 pha trộn 15% thể tích ethanol 85% thể tích xăng thương mại RON92 Tính tốn mơ q trình cháy Hình giới thiệu xi lanh buồng cháy động Daewoo chia lưới để tính tốn mơ phần mềm ANSYS 346 340 FLUENT Trong tính tốn chúng tơi sử dụng mơ hình chảy rối k-, mơ hình cháy hịa trộn trước cục Qui trình xây dựng mơ hình tính tốn thiết lập lưới động piston dịch chuyển xi lanh động trình bày [6] Thành phần nhiên liệu điều chỉnh đặc trưng nhiệt động hóa học hỗn hợp cháy thiết lập bảng pdf để truy suất nhanh chóng q trình giải hệ phương trình mơ tả diễn biến lưu cháy xi lanh 366 362 358 354 350 23 p(bar) p(bar) T(K) Hình Diễn biến trình cháy buồng cháy động Daewoo mặt cắt ngang buồng cháy cách đỉnh 8mm (xăng E15, tỉ số nén =9,5, tốc độ động 2000 vòng/phút, đánh lửa tại=335) Xi(kg/kg) O2 Xăng () a Ethanol () b Hình Biến thiên áp suất nhiệt độ; (a) biến thiên áp suất, nồng độ oxy nhiên liệu; (b) buồng cháy động Daewoo sử dụng xăng E15, tỉ số nén =9,5, tốc độ động 2000 vòng/phút, góc đánh lửa sớm 25 E10 E15 E20 bắt đầu cháy, nồng độ chất giảm dần, đồng thời nhiệt độ áp suất xi lanh tăng nhanh Điểm cực đại nhiệt độ trễ điểm cực đại áp suất khoảng 20 Kết bình luận 3.1 Ảnh hưởng hàm lượng cồn xăng Wi(J) p(bar) Hình biểu diễn phát triển khu vực cháy động mặt cắt ngang buồng cháy cách đỉnh 8mm Trên mặt cắt ngang ta thấy màng lửa hình trịn với bán kính tăng dần theo góc quay trục khuỷu Hình 3a biểu diễn biến thiên áp suất nhiệt độ xi lanh động cơ; Hình 3b biểu diễn biến thiên áp suất nồng độ O2, xăng ethanol theo góc quay trục khuỷu Khi E10 E20 s() V(lít) a b Hình So sánh đồ thị công (a) biến thiên công thị chu trình theo góc đánh lửa sớm (b) động Daewoo sử dụng xăng pha ethanol với hàm lượng khác nhau, tỉ số nén =9,5, tốc độ động 1500 vòng/phút, hệ số tương đương =1,1 24 Bùi Văn Ga, Bùi Văn Tấn, Nguyễn Văn Đơng Hình 4a biểu diễn đồ thị công động Daewoo giữ nguyên tỷ số nén nguyên thủy, góc đánh lửa sớm 20 sử dụng nhiên liệu E10, E15 E20 Công thị tương ứng 522J, 520J 517J Điều cho thấy tăng hàm lượng cồn xăng giữ ngun góc đánh lửa sớm cơng thị động có giảm nhẹ Khi tăng thể tích cồn pha vào xăng từ 10% thể tích lên 20% thể tích cơng thị động giảm chưa đến 1% Hình 4b biểu diễn biến thiên Wi theo góc đánh lửa sớm động sử dụng nhiên liệu E10 E20 tốc độ 1500 vịng/phút Ta thấy, góc đánh lửa sớm tăng đỉnh đường cong áp suất dịch chuyển gần ĐCT áp suất cực đại tăng Tuy nhiên phân tích đồ thị cơng cho thấy, cơng thị động không tăng theo áp suất cực đại mà tăng theo diện tích đồ thị cơng Biến thiên cơng thị theo góc đánh lửa sớm trình bày Hình 4b Kết cho thấy trường hợp góc đánh lửa sớm tối ưu nằm khoảng từ 25-27 3.2 Ảnh hưởng tỷ số nén động Do xăng E15 có số octan cao xăng A92 nên động cải tạo để sử dụng nhiên liệu ta tăng tỉ số nén để tăng hiệu công tác động Hình 5a Hình 5b so sánh đồ thị công thị động sử dụng xăng E15, giữ nguyên tỉ số nén ban đầu 9,5 tăng tỉ số nén động lên 10,3 tốc độ 3000 vòng/phút 4000 vòng/phút Tính tốn cơng thị cho thấy tốc độ 4000 vịng/phút, cơng thị động có tỉ số nén 10,3 504J, tăng so với động có tỉ số nén 9,5 (463J) Ở tốc độ 3000 vịng/phút, giá trị cơng thị 458J 421J tương ứng với tỉ số nén động 9,5 10,3 40 p(bar) p(bar) 40 =10,3 =10,3 30 30 20 20 =9,5 =9,5 10 10 0 a 0.1 0.2 0.3 V(lít) 0.4 b 0.1 0.2 0.3 V(lít) 0.4 Hình Ảnh hưởng tỉ số nén động đến đồ thị công thị động Daewoo sử dụng xăng E15, góc đánh lửa sớm 25 tốc độ 3000 vòng/phút (a) 4000 vòng/phút (b), hệ số tương đương =1,1 Wi(J) 600 560 =10,3 520 480 =9,5 440 400 1500 n(vòng/phút) 2000 2500 3000 3500 4000 Hình Ảnh hưởng tỉ số nén động đến công thị động Daewoo sử dụng xăng E15, góc đánh lửa sớm 25 Hình so sánh biến thiên cơng thị chu trình theo tốc độ động sử dụng xăng E15 với tỉ số nén 9,5 10,3 góc đánh lửa sớm giữ cố định 25 trước ĐCT Chúng ta thấy tốc độ động tăng, mà không thay đổi góc đánh lửa sớm cơng chu trình giảm Chênh lệch cơng thị chu trình động có tỉ số nén 9,5 10,3 thay đổi theo tốc độ động Ở tốc độ 1500 vịng/phút, mức chênh lệch 30J/chu trình tốc độ 4000 vòng/phút, mức chênh lệch 32J/chu trình 3.3 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm Hình 7a giới thiệu đồ thị áp suất xi lanh động Hình 7b giới thiệu đồ thị công động sử dụng xăng E15 với góc đánh lửa sớm 20, 23, 25, 27 30 1500 vịng/phút Chúng ta thấy góc đánh lửa sớm tăng đỉnh đồ thị áp suất tăng dịch phía ĐCT Tuy nhiên, tăng góc đánh lửa sớm phần cơng âm trước piston đến ĐCT tăng làm giảm công chung chu trình Khi giảm góc đánh lửa sớm, áp suất cực đại giảm dẫn đến giảm công thị động Trên thực tế, điều kiện tốc độ động tăng, thời gian dành cho trình cháy giảm Để cho đỉnh đường cong áp suất nằm vị trí tối ưu (thường khoảng 16 sau ĐCT), ta phải tăng góc đánh lửa sớm Mặt khác tăng tốc độ động cường độ cháy rối góc đánh lửa sớm tối ưu khơng tăng tuyến tính theo tốc độ động Hình 8a giới thiệu biến thiên cơng thị chu trình theo góc đánh lửa sớm động giữ nguyên tỷ số nén 9,5 ban đầu sử dụng xăng E15 tốc độ 1500 vòng/phút 3000 vòng/phút Chúng ta thấy góc đánh lửa tối ưu ứng với hai chế độ tốc độ theo thứ tự 26 32 Tương tự vậy, Hình 8b giới thiệu biến thiên cơng thị chu trình theo góc đánh lửa sớm động nâng tỷ số nén lên 10,3 sử dụng xăng E15 chế độ tốc độ trường hợp đầu Chúng ta thấy góc đánh lửa tối ưu ứng với hai chế độ ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2015 với trường hợp tỷ số nén động 9,5 50 p(bar) 50 s=30 s=27 s=25 s=23 s=20 40 30 40 30 20 20 10 10 a 60 120 s=30 s=27 s=25 s=23 s=20 p(bar) tốc độ theo thứ tự 23 30, nhỏ từ 2-3 so 180 240 300 25 s() b 360 0.1 0.3 V(lít) 0.4 0.2 Wi(J) 560 650 540 Wi(J) Hình Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến đồ thị áp suất (a) đồ thị công thị (b) động Daewoo sử dụng xăng E15, tốc độ 1500 vòng/phút n=1500(vòng/phút) 610 520 n=1500(vòng/phút) 500 570 n=3000(vòng/phút) 480 530 460 440 n=3000(vòng/phút) 490 420 400 a 20 22 24 26 28 30 32 s() 34 450 36 b 20 22 24 26 28 30 () 32 s 34 Hình Ảnh hưởng tốc độ động đến biến thiên cơng thị chu trình theo góc đánh lửa sớm động Daewoo sử dụng xăng E15, với tỉ số nén 9,5 (a) 10,3 (b) nghiệm Khi đánh lửa muộn (20), cơng suất ngồi động thấp công suất đánh lửa sớm (25) Pe(kW) 3.4 So sánh kết cho mô thực nghiệm Thực nghiệm tiến hành để so sánh đường đặc tính cục động sử dụng xăng sử dụng xăng pha ethanol Hình so sánh biến thiên cơng suất động độ mở bướm ga 30% sử dụng xăng RON92 xăng E15 với góc đánh lửa sớm giữ cố định 25 Kết thực nghiệm cho thấy, giữ nguyên góc đánh lửa sớm động xăng cơng suất động sử dụng E15 thấp công suất sử dụng xăng Tốc độ cao khoảng chênh lệch lớn Như trình bày phần trên, để nâng cao tính cơng tác động cơ, chuyển sang sử dụng xăng pha ethanol cần điều chỉnh tăng góc đánh lửa sớm Hình 10 so sánh kết cho mô thực nghiệm đường đặc tính ngồi động Daewoo sử dụng xăng E15 với góc đánh lửa sớm 20 25 Cơng suất có ích động tính tốn dựa cơng thị chu trình hiệu suất giới Ở hiệu suất giới chọn m=0,8 Kết cho thấy đường đặc tính ngồi cho mơ phù hợp với đường đặc tính ngồi thực 20 Xăng RON92 18 16 14 E15 12 10 1000 n(vòng/phút) 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Hình So sánh đặc tính cục động Daewoo sử dụng xăng RON92 xăng E15 (30% tải, với tỉ số nén 9,5) Bùi Văn Ga, Bùi Văn Tấn, Nguyễn Văn Đông Pe(kW) 26 Mơ s=25 Thực nghiệm s=20 4000 vịng/phút Khi nâng tỉ số nén lên 10,3, góc đánh lửa sớm tối ưu thay đổi từ 23 đến 30 khoảng thay đổi tốc độ động - Góc đánh lửa sớm tối ưu tăng nhẹ theo hàm lượng cồn xăng Khi tăng hàm lượng ethanol xăng từ 10% lên 20% góc đánh lửa sớm tối ưu tăng khoảng 2 tốc độ động 1500 vòng/phút TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Huseyin Serdar Yucesu, Tolga Topgul, Can Cinat, Melih Okur: Effect of ethanol–gasoline blends on engine performance and exhaust emissions in different compression ratios Applied Thermal Engineering, Volume 26, Issues 17-18, December 2006, Pages 2272–2278 n(vịng/phút) Hình 10 So sánh đường đặc tính ngồi động Daewoo sử dụng xăng E15 cho mơ thực nghiệm ứng với góc đánh lửa sớm 20 25 Kết luận - Cùng chế độ vận hành động cơ, thay đổi hàm lượng ethanol xăng, công suất động thay đổi nhẹ Khi tăng hàm lượng ethanol pha vào xăng từ 10% lên 20%, công suất động giảm khoảng 1% khơng điều chỉnh góc đánh lửa sớm - Khi tăng tỉ số nén động từ 9,5 lên 10,3, cơng thị chu trình động tăng khoảng 12% Mức tăng không thay đổi nhiều thay đổi tốc độ động - Góc đánh lửa sớm tối ưu động với tỷ số nén nguyên thủy 9,5 sử dụng xăng pha cồn thay đổi từ 26 đến 32 tốc độ động biến thiên từ 1500 vòng/phút lên [2] Mustafa Koc, Yakup Sekmen, Tolga Topgül, Hüseyin Serdar Yücesu: The effects of ethanol–unleaded gasoline blends on engine performance and exhaust emissions in a spark-ignition engine Renewable Energy, Volume 34, Issue 10, October 2009, Pages 2101–2106 [3] Richie Daniel, Guohong Tian, Hongming Xu, Shijin Shuai: Ignition tiiming sensivities of oxygenated biofuels compared to gasoline in direct-injection SI engine Fuel 99 (2012), pp 72-82 [4] S Phuangwongtrakul, K.Wannatong, T Laungnarutai and W Wechsatol: Suitable Ignition Timing and Fuel Injection Duration for Ethanol-Gasoline Blended Fuels in a Spark Ignition Internal Combustion Engine Proc of the Intl Conf on Future Trends in Structural, Civil, Environmental and Mechanical Engineering, FTSCEM 2013, ISBN: 978-981-07-7021-1, pp 39-42 [5] Bùi Văn Ga, Nguyễn Việt Hải, Nguyễn Văn Anh, Võ Anh Vũ, Bùi Văn Hùng: Phân tích biến thiên áp suất động dual fuel biogas-diesel cho mô thực nghiệm Tạp chí Khoa họcCơng nghệ, Đại học Đà Nẵng, số 01(86), 2015, pp.24-29 [6] Bui Van Ga, Tran Van Nam, Tran Thanh Hai Tung: A Simulation of Effects of Compression Ratios on the Combustion in Engines Fueled With Biogas with Variable CO2 Concentrations Journal of Engineering Research and Application www.ijera.com Vol 3, Issue 5, Sep-Oct 2013, pp.516-523 (Impact Factor 1,69) (BBT nhận bài: 10/01/2016, phản biện xong: 25/01/2016) ... K.Wannatong, T Laungnarutai and W Wechsatol: Suitable Ignition Timing and Fuel Injection Duration for Ethanol-Gasoline Blended Fuels in a Spark Ignition Internal Combustion Engine Proc of the Intl... Tran Thanh Hai Tung: A Simulation of Effects of Compression Ratios on the Combustion in Engines Fueled With Biogas with Variable CO2 Concentrations Journal of Engineering Research and Application... Daniel, Guohong Tian, Hongming Xu, Shijin Shuai: Ignition tiiming sensivities of oxygenated biofuels compared to gasoline in direct-injection SI engine Fuel 99 (2 012 ), pp 72-82 [4] S Phuangwongtrakul,