MÔ HÌNH NHIỆT ĐỘNG TÍNH NHIỆT ĐỘ MÔI CHẤT CÔNG TÁC ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC TỪ DỮ LIỆU ÁP SUẤT

ISSN 1859 1531 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(90) 2015 93 MÔ HÌNH NHIỆT ĐỘNG TÍNH NHIỆT ĐỘ MÔI CHẤT CÔNG TÁC ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC TỪ DỮ LIỆU ÁP SUẤT THE THERMODYNAMIC MODEL[.]

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(90).2015 93 MƠ HÌNH NHIỆT ĐỘNG TÍNH NHIỆT ĐỘ MƠI CHẤT CƠNG TÁC ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC TỪ DỮ LIỆU ÁP SUẤT THE THERMODYNAMIC MODEL CALCULATES GAS TEMPERATURE OF SPARK IGNITION ENGINE BY DATA OF COMBUSTION CHAMBER PRESSURE Huỳnh Tấn Tiến, Nguyễn Quang Trung Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; httien@dut.udn.vn, trungckgt@gmail.com Tóm tắt - Bài báo trình bày mơ hình nhiệt động tính nhiệt độ mơi chất cơng tác động đánh lửa cưỡng từ liệu áp suất theo góc quay trục khuỷu đo cảm biến áp suất bố trí buồng cháy động Mơ hình nhiệt động xây dựng từ định luật nhiệt động I phương trình trạng thái áp dụng cho thể tích mơi chất cơng tác xylanh động với giả thiết số khí mơi chất khơng thay đổi, từ xác định vi phân nhiệt độ theo vi phân áp suất vi phân thể tích mơi chất Kết tính tốn từ mơ hình cho phép xác định nhiệt độ suất tỏa nhiệt mơi chất theo góc quay trục khuỷu chu trình nhiệt động cơ, sở để đánh giá so sánh trình cháy động đánh lửa cưỡng theo điều kiện làm việc với loại nhiên liệu khác Abstract - This paper presents a thermodynamic model to calculate gas temperature of spark ignition engine by data of gas pressure following crankshaft rotation angle The model is built from the first law of thermodynamics and equation of state for working gas of cylinder volume if specific gas constant does not change, thereby determining the temperature differential with pressure differential and volume differential of working gas.The calculated results of the model allows determining the temperature and heat capacity of the working gas following crankshaft rotation angle of engine thermodynamic cycle and can be used as a basis for assessing and comparing combustion of spark ignition engine using several fuels Từ khóa - áp suất; nhiệt độ; đánh lửa cưỡng bức; mơ hình; buồng cháy Key words - pressure; temperature; spark ignition; model; combustion chamber Đặt vấn đề Nghiên cứu trình cháy động đốt nhằm giảm tiêu hao nhiên liệu giảm nhiễm cho khí thải mục tiêu nhiều nghiên cứu nước thực Do phức tạp trình cháy, nên việc nghiên cứu cần phải kết hợp chặt chẽ lý thuyết thực nghiệm [1] Áp suất môi chất công tác yếu tố định khả sinh cơng cho động đo từ cảm biến áp suất đặt trực tiếp buồng cháy Thông qua áp suất xác định tốc độ tỏa nhiệt trình cháy xác định nhiệt độ q trình cháy Nhiệt độ mơi chất thông số ảnh hưởng lớn đến hiệu suất nhiệt, ô nhiễm tuổi thọ động [2, 3] Trong báo cáo này, nhóm tác giả xây dựng mơ hình tính tốn lý thuyết xác định nhiệt độ q trình cháy động thực nghiệm Malaga 1.5 sử dụng xăng A92 xăng phối trộn 30% butanol, điều kiện áp suất môi chất xilanh đo thực nghiệm Qua đánh giá q trình cháy động đánh lửa cưỡng sử dụng xăng xăng pha 30% butanol Cơ sở lý thuyết Chu trình nhiệt động đốt trình chuyển hóa lượng từ hóa thành năng, mà lượng trung gian nhiệt Vì vậy, coi chu trình nhiệt động đốt hệ nhiệt động mở có trao đổi chất, trao đổi nhiệt trao đổi công với môi trường bên ngồi [5] Hình Từ định luật nhiệt động học I phương trình trạng thái, xác định biểu thức biến thiên nội (1), biến thiên áp suất (2) biến thiên nhiệt độ (3) thông qua qui luật trao đổi chất ∑j ṁj hj , qui luật trao đổi nhiệt Q̇w [5] Hình Mơ hình hệ nhiệt động tổng qt động đốt dU dV = −p + dt dt  dQi + dt h i dmi dt (1) pV = mRT p= (2) ρ  V ρ ρ m − − T−  +  ρ  V ρ T ρ  m p    u C p u  p u  m V R   u T = B −  / +  − + −  D p  m V  R      T D T p  (3) (4) Trong đó: B = −RT V  + Qw + V m  m h j j j  − mu    T R C = 1+ R T P R D = 1− R p Giải hệ phương trình (1), (2) (3), xác định biên thiên nhiệt lượng mà môi chất cơng tác trao đổi với mơi trường bên ngồi, biến thiên áp suất nhiệt độ môi chất Điều thực biết qui luật trao đổi chất ṁj , biến thiên hệ số tương đương hỗn hợp  theo thời gian thông số nhiệt động học môi chất hj Huỳnh Tấn Tiến, Nguyễn Quang Trung 94 Xây dựng mơ hình nhiệt động tính nhiệt độ động đánh lửa cưỡng 3.1 Qui luật động học động Thể tích chứa mơi chất cơng tác (V) hình thành từ không gian giới hạn nắp máy, thành xilanh đỉnh piston Khi động hoạt động, piston dịch chuyển từ điểm chết xuống điểm chết ngược lại, lúc thể tích V thay đổi từ thể tích nhỏ Vc (khi piston điểm chết trên) đến Va (khi piston điểm chết dưới) Thể tích cơng tác, thể tích buồng cháy thể tích chứa mơi chất thời điểm t xác định [4] thông qua biểu thức từ (7) đến (9): Vh = Vc = Vx = πD2 Vh s (5) (11) Thay biểu thức (11) vào biểu thức (10) ý Cp số đa biến γ = suất tỏa nhiệt biểu kiến động xác định: Cv dQ w γ dV dp = p + V dt γ − dt γ − dt (12) Từ biểu thức (11), xác định dp hồn tồn p xác định dT suất tỏa nhiệt biểu kiến T dQ w dt dV V tính tốn từ quy luật động học động 3.3 Trình tự tính tốn bố trí thực nghiệm (6) ε−1 πD2 dp dV dT + = p V T x (7) Trong đó: D – Đường kính xilanh động cơ; S – Hành trình piston; ε – Tỷ số nén động λ   x = R (1 − cos φ ) + (1 − cos 2φ )  – chuyển vị piston    = .t – Góc quay trục khuỷu;  = n/30 - vận tốc góc trung bình trục khuỷu động cơ; n – tốc độ động 3.2 Hệ nhiệt động chu trình nhiệt động đánh lửa cưỡng dmI Hình Sơ đồ bố trí thí nghiệm Q trình tính tốn cần phải xác định biến thiên thể tích, áp suất, suất tỏa nhiệt theo góc quay trục khuỷu với trình tự tính tốn theo sơ đồ Hình dmo p,T,V,m dQw dW Hình Mơ hình nhiệt động động đánh lửa cưỡng Thay dU = mCv dT biểu thức (1) trở thành: dQ w dmi dV dT −p + h i = mC v dt dt dt dt (8) Vi phân hai vế biểu thức pV = mRT với điều kiện R=const, biểu thức (2) trở thành: dp dV dm dT (9) + = + p V m T Trong trình nạp q trình thải động có trao đổi chất với mơi trường bên ngồi (nạp nhiên liệu khơng khí q trình nạp, thải khí cháy q trình thải), nên dm0 khó xác định lý thuyết Đối với động đánh lửa cưỡng hình thành hóa khí bên ngồi bỏ qua lọt khí cacte dm=0, biểu thức (8) (9) trở thành: dQw dV dT =p − mCv dt dt dt (10) Hình Sơ đồ tính tốn ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(90).2015 Bảng Thông số kỹ thuật động Malaga 1.5 Tên thông số Số xilanh Thể tích cơng tác Tỷ số nén Thứ tự làm việc Công suất cực đại Mô men cực đại Hệ thống nhiên liệu Nhiên liệu Hệ thống đánh lửa Thứ nguyên cm3 kW/rpm Nm/rpm - Hệ thống khởi động - Giá trị L4 1461 10,5 1-3-4-2 63/5600 115/3500 Chế hịa khí Xăng Đánh lửa bán dẫn cảm biến Hall Động điện Hệ thống thực nghiệm bố trí theo sơ đồ Hình Theo động thực nghiệm Malaga 1.5 kết nối với băng thử thủy lực FROUDE để đo công suất (mô men tốc độ động cơ) Nhiên liệu đo tiêu hao thiết bị AVL733S trước cung cấp cho động áp suất mơi chất theo góc quay trục khuỷu đo thiết bị phân tích áp suất hãng AVL Kết tính tốn Mục tiêu tính tốn mơ hình xác định suất tỏa nhiệt biểu kiến nhiệt độ động Malaga 1.5 số vòng quay 2000vòng/phút, tốc độ mà mơ men có ích động đạt cực đại Me=80Nm chế độ tải 70% độ mở bướm ga nhiệt độ khí nạp 30oC Dữ liệu áp suất mơi chất q trình nén q trình cháy-giãn nở theo góc quay trục khuỷu quy luật động học động sử dụng để xác định suất tỏa nhiệt (dQw/dt), nhiệt độ (T) môi chất động sử dụng nhiên liệu xăng A92 (B0) xăng A92 phối trộn 30% butanol (B30) 95 pmax=41bar có tốc độ tăng áp lớn đạt 1,7bar/độ giá trị cực đại áp suất đạt sau điểm chết gần 10độ Như động sử dụng B30 cháy chậm so với sử dụng xăng A92 Hình Tốc độ biến thiên nhiệt độ theo góc quay trục khuỷu Hình trình bày kết tính tốn tốc độ biến thiên nhiệt độ (dT/d) từ mơ hình nhiệt động, qua cho thấy tốc độ biến thiên nhiệt độ phụ thuộc phần lớn vào tốc độ biến thiên áp suất phụ thuộc không đáng kể vào tốc độ biến thiên thể tích Cụ thể, tốc độ biến thiên nhiệt độ lớn môi chất ứng với A92 có giá trị lên đến 170K/độ tốc độ biến thiên nhiệt độ lớn môi chất ứng với B30 đạt 80K/độ Hình Suất tỏa nhiệt biểu kiến theo góc quay trục khuỷu Hình trình bày kết tính tốn tốc độ tỏa nhiệt mơi chất (dQw/dt) từ mơ hình, động sử dụng xăng A92 B30 Theo đó, mơi chất nhận nhiệt trình nén, tỏa nhiệt trình cháy-giãn nở, với suất tỏa nhiệt lớn thời điểm áp suất đạt cực đại, môi chất ứng với xăng A92 nhiều nhiệt so với B30 Hình Diễn biến quy luật áp suất xylanh động Hình trình bày kết đo diễn biến áp suất mơi chất động theo góc quay trục khuỷu, động sử dụng xăng A92 ứng với chế độ mơ men có ích Me=79Nm tốc độ n=2000vòng/phút động sử dụng xăng B30 ứng với chế độ mơ men có ích Me=80Nm tốc độ động n=2050vòng/phút Kết thực nghiệm cho thấy: động sử dụng xăng A92, áp suất ứng có giá trị cực đại pmax = 46bar gần sau điểm chết có tốc độ tăng áp suất lên đến 4,3bar/độ; đó, mơmen có tốc độ tương đương, áp suất môi chất ứng với B30 có giá trị cực đại Hình So sánh chu trình nhiệt động sử dụng xăng A92 (B0) xăng phối trộn B30 Huỳnh Tấn Tiến, Nguyễn Quang Trung 96 Kết tính tốn nhiệt độ mơi chất theo áp suất thể Hình Quy luật diễn biến nhiệt độ môi chất định quy luật diễn biến áp suất, cụ thể áp suất tăng làm nhiệt độ tăng, ngược lại áp suất giảm làm nhiệt độ giảm nhiệt độ đạt cực đại thời điểm áp suất đạt cực đại, Tmax=1934K xăng A92 Tmax=1894K B30 Trong trình nén, nhiệt độ động sử dụng A92 lớn chút so với B30 lớn đáng kể trình cháy, ngược lại q trính giãn nở nhiệt độ mơi chất ứng với A92 lại nhỏ nhiệt độ môi chất ứng với B30 Điều cho thấy B30 có chứa 30% butanol có tác dụng làm giảm nhiệt độ mơi chất trình nén, lại làm cho trình cháy êm dịu hơn, trì nhiệt độ mơi chất cao q trình giãn nở Như có mặt butanol B30 làm giảm tốc độ cháy kéo dài thời gian cháy hỗn hợp, làm giảm áp suất nhiệt độ cực đại chu trình Điều xuất phát từ lợi butanol việc tăng trị số octan cho nhiên liệu B30 so với A92 Kết luận hướng phát triển - Ứng dụng định luật nhiệt động I với điều kiện bỏ qua thay đổi số chất khí lọt khí cacte trình nén cháy-giãn nở cho phép xây dựng mơ hình nhiệt động động đánh lửa cưỡng để tính nhiệt độ buồng cháy suất tỏa nhiệt biểu kiến môi chất từ liệu áp suất mơi chất - Mơ hình nhiệt động học ứng dụng cho động Malaga 1.5 sử dụng xăng A92 xăng A92 phối trộn 30% butanol chế độ 70% tải thời điểm mô men cực đại (Tốc độ động xấp xỉ 2000vòng/phút mơ men động khoảng 80Nm), kết tính tốn cho thấy động sử dụng B30 mơi chất có nhiệt độ trình nén, nhiệt độ cực đại thấp hơn, có nhiệt độ q trình giãn nở cao so với xăng A92 - Cần xác định độ lọt khí cacte động để xác định xác biến thiên khối lượng mơi chất, góp phần hồn thiện mơ hình tính TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1] Bùi Văn Ga (2002), Quá trình cháy động đốt trong, NXB KHKT, Hà Nội [2] Bùi Văn Ga, Phạm Xuân Mai, Trần Văn Nam, Trần Thanh Hải Tùng (1997), Mơ hình hóa q trình cháy động đốt trong, NXB Giáo dục, Hà Nội [3] Nguyễn Tất Tiến (2000), Nguyên lý động đốt trong, NXB Giáo dục [4] Baumgarten, Dieter Mewes, Franz Mayinger (2006), Mixture Formation in Internal Combustion Engines, Germany [5] Heywood JB Internal Combustion Engine Fundamentals New York: McGraw-Hill; 1988 (BBT nhận bài: 24/05/2015, phản biện xong: 28/05/2015) ... mơ hình nhiệt động tính nhiệt độ động đánh lửa cưỡng 3.1 Qui luật động học động Thể tích chứa mơi chất cơng tác (V) hình thành từ không gian giới hạn nắp máy, thành xilanh đỉnh piston Khi động. .. số chất khí lọt khí cacte trình nén cháy-giãn nở cho phép xây dựng mơ hình nhiệt động động đánh lửa cưỡng để tính nhiệt độ buồng cháy suất tỏa nhiệt biểu kiến môi chất từ liệu áp suất mơi chất. .. khuỷu động cơ; n – tốc độ động 3.2 Hệ nhiệt động chu trình nhiệt động đánh lửa cưỡng dmI Hình Sơ đồ bố trí thí nghiệm Q trình tính tốn cần phải xác định biến thiên thể tích, áp suất, suất tỏa nhiệt