Nghiên cứu xác định góc phun không khí phù hợp trong hệ thống bổ sung không khí trên đường thải động cơ xe máy sử dụng hệ thống nhiên liệu bộ chế hòa khí

Bài viết Nghiên cứu xác định góc phun không khí phù hợp trong hệ thống bổ sung không khí trên đường thải động cơ xe máy sử dụng hệ thống nhiên liệu bộ chế hòa khí trình bày quá trình đánh giá ảnh hưởng của góc đặt vòi phun không khí trên đường thải đến hiệu quả hòa trộn giữa hai dòng khí.

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH GĨC PHUN KHƠNG KHÍ PHÙ HỢP TRONG HỆ THỐNG BỔ SUNG KHƠNG KHÍ TRÊN ĐƯỜNG THẢI ĐỘNG CƠ XE MÁY SỬ DỤNG HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU BỘ CHẾ HỊA KHÍ STUDY ON DETERMINING THE APPROPRIATE AIR INJECTION ANGLE IN THE AIR SUPPLEMENT SYSTEM ON THE EXHAUST MANIFOLD OF MOTORCYCLE ENGINES USING CARBURETOR Nguyễn Duy Tiến1,*, Khổng Vũ Quảng1, Lê Mạnh Tới1, Đinh Xuân Thành2, Nguyễn Huy Chiến2, Nguyễn Phi Trường2 DOI: https://doi.org/10.57001/huih5804.43 TĨM TẮT Hịa khí đậm đặc trưng động xăng trang bị hệ thống nhiên liệu chế hịa khí Vì vậy, bổ sung khơng khí đường thải giải pháp hiệu nhằm tận dụng nhiệt khí thải giúp tăng cường phản ứng ơxy hóa đường thải Ngồi ra, lượng khơng khí bổ sung khắc phục hạn chế trang bị xúc tác ba thành phần loại động này, giúp cải thiện mơi trường ơxy hóa xúc tác, từ nâng cao hiệu suất chuyển đổi thành phần phát thải CO, HC Tuy nhiên, để nâng cao hiệu việc bổ sung khơng khí tới hiệu suất chuyển đổi thành phần phát thải xúc tác ngồi lượng khơng khí bổ sung, nhiệt độ hỗn hợp mức độ hịa trộn dịng khí thải dịng khơng khí bổ sung thông số quan trọng Nội dung báo trình bày trình đánh giá ảnh hưởng góc đặt vịi phun khơng khí đường thải () đến hiệu hịa trộn hai dịng khí Kết nghiên cứu cho thấy, với  = 120o vùng hịa trộn hiệu hai dịng khí đạt giá trị cao nhất, lên tới 33,4% Từ khóa: Bổ sung khơng khí, xúc tác ba thành phần, giảm phát thải ABSTRACT The rich combination is the basic feature of gasoline engines equipped the carburetor fuel system Therefore, adding air to the exhaust can be an effective method to utilize heat in the exhaust to enhance the oxidation reaction on the exhaust manifold Moreover the addition air will overcome the limited use the three way catalyst in this engines because it improves the oxidation environment in the catalyst thereby enhancing the conversion efficiency of CO and HC However, in order to improve the efficiency of the catalyst, besides the amount of additional air and the mixture temperature, the degree of homogeneity between the exhaust gas and additional air is also an important parameter In this paper, we will present the process of evaluating the influence of the air injection angle on the exhaust manifold () on the mixing efficiency between the exhaust gas and the supplementary air Research results show that, with  = 120o, the effective mixing zone of two gas streams reaches the highest value, up to 33.4% Keywords: Air injection, three way catalyst, emission reducing Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội * Email: tien.nguyenduy@hust.vn Ngày nhận bài: 27/12/2021 Ngày nhận sửa sau phản biện: 20/02/2022 Ngày chấp nhận đăng: 27/10/2022 78 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Tập 58 - Số (10/2022) ĐẶT VẤN ĐỀ 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 [1] 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 [2] Nhằm kiểm soát 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) [3] Để giảm thiểu ô 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 Website: https://jst-haui.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 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 [4] Nhiều nghiên cứu cho thấy phun bổ sung khơng khí đường thải giải pháp khơng tăng cường phản ứng ơxy hóa đường thải mà cịn cải thiện mơi trường xy hóa cải thiện hiệu suất chuyển đổi thành phần CO, HC BXT [4,5] Tuy nhiên hiệu suất chuyển hóa BXT với thành phần phát thải phụ thuộc vào nhiệt độ, hệ số dư lượng khơng khí cịn phụ thuộc vào mức độ đồng q trình hịa trộn dịng khơng khí bổ sung dịng khí thải Vì vậy, nội dung báo nhóm tác giả hướng tới mơ xác định góc đặt vịi phun khơng khí đường ống thải () phù hợp nhằm đạt hiệu hịa trộn tốt hai dịng khí Q trình mô thực phần mềm Ansys fluent, q trình thử nghiệm xác định thơng số đầu vào mơ hình tiến hành Trung tâm Nghiên cứu động cơ, nhiên liệu khí thải, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Trong đó: Gkt - lưu lượng khí thải; Gkn - lưu lượng khí nạp; Gnl - lưu lượng nhiên liệu; λ0 - hệ số dư lượng khơng khí động (khi chưa bổ sung khơng khí) Theo Juan E Tibaquira [6] hệ số A/F nhiên liệu sử dụng nghiên cứu - RON95 14,49 Lưu lượng khơng khí bổ sung tính tốn nhằm đảm bảo hệ số dư lượng khơng khí đường thải xác định theo công thức sau Gkk = G0(1 - λ0) = Gnl.(A/F).(1 - λ0) (2) Fuel Balance 733S Màn hình hỗ trợ người lái Thiết bị đo hệ số dư lượng khơng khí λ Thiết bị đo nh iệt độ khí thải Lọc Quạt gió Chassis Dynamometer Hệ thống lấy mẫu với thể tích khơng đổi CVS Hình Sơ đồ thử nghiệm xác định thơng số điều kiện biên mơ hình 2.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng sử dụng trình thử nghiệm xác định thông số đầu vào mô hình mơ xe máy Zip 100 hãng Piaggio, dòng xe máy sử dụng hệ thống nhiên liệu chế hòa khí trang bị xúc tác ba thành phần đường thải Các thông số kỹ thuật động trang bị xe thể bảng Bảng Thông số kỹ thuật động xe Zip 100 Chế độ thử nghiệm thực tốc độ 50km/h, độ mở bướm ga 50% Các thông số đo thể bảng Bảng Các thông số đo STT Thông số Giá trị Đơn vị Nhiệt độ khí thải 901 K Hệ số dư lượng khơng khí λ 0,88 - Lượng nhiên liệu tiêu thụ 1,2 kg/h STT Thông số Giá trị Kiểu động xy lanh, kỳ, chế hịa khí Dung tích xy lanh 96cm3 Đ.kính x H.trình 50 x 49mm Tỉ số nén 11,1 STT Công suất tối đa 7,65kW/8250v/ph Mô-men cực đại 6,92 Nm/ 5500v/ph Bên cạnh thông số thể bảng 2, thơng số khác dịng khơng khí bổ sung dịng khí thải thể bảng Bảng Các thông số điều kiện biên khác [7,8,9] Thông số Nhiệt độ đầu vào (K) Khơng khí bổ sung Khí thải 300 901 Khối lượng riêng (kg/m ) 1,225 0,367 2.2 Xác định điều kiện biên mơ hình Nhiệt dunng riêng (J/kg.K) 1006,430 1117,715 Các thơng số điều kiện biên, đầu vào mơ hình mô Ansys Fluent, nhiệt độ, hệ số dư lượng khơng khí lưu lượng khí thải xác định thực nghiệm băng thử CD20” trung tâm nghiên cứu động cơ, nhiên liệu khí thải, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Sơ đồ hệ thống thử nghiệm thể hình Trong đó, lượng nhiên liệu tiêu thụ đo thiết bị fuel balance 733S, nhiệt độ khí thải đo cảm biến loại K (0 - 800oC) kết nối với thiết bị hiển thị Hệ số dư lượng khơng khí xác định cảm biến λ dải rộng Bosch LSU 4.9 Lưu lượng khí thải xác định gián tiếp thông qua lưu lượng nhiên liệu hệ số dư lượng khơng khí theo cơng thức Hệ số dẫn nhiệt (W/m.K) 0,0242 0,0626 Gkt = Gkn + Gnl = Gnl.λ0.(A/F) + Gnl = Gnl.(λ0.(A/F) + 1) Website: https://jst-haui.vn (1) -5 3,973.10-5 Độ nhớt (kg/m.s) 1,789.10 Lưu lượng (kg/h) 2,09 16,50 Hệ số Reynold (-) 6027,4 12455,1 2.3 Xây dựng mô hình mơ Ansys fluent 2.3.1 Cơ sở lý thuyết mô Ansys fluent Ansys Fluent phần mềm phát triển ứng dụng mạnh mẽ nhiều tốn mơ khác tối ưu hóa kết cấu khí, trình truyền nhiệt, truyền chất, động lực học chất lỏng… Ansys Fluent xây dựng sở hệ phương trình liên tục, phương trình bảo tồn động lượng lượng [9,10]: Vol 58 - No (Oct 2022) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 79 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 + Phương trình liên tục u v w   0 x y z 2.3.3 Chia lưới (3) + Phương trình động lượng (ρv)  div  ρvv  ρg  grad(p)  div μgrad(v) t (4) + Phương trình lượng   cv T  t  div  vcp T     div kgrad  T   (5) Trong đó: u, v, w vận tốc môi chất; t thời gian;  khối lượng riêng; p áp suất dịng mơi chất; độ nhớt dịng mơi chất; g gia tốc trọng trường; T nhiệt độ; cv, cp nhiệt dung riêng đẳng tích đẳng áp;  nguồn lượng bên (hóa học, hạt nhân ); k hệ số dẫn nhiệt Mơ hình 3D mơ hình chia lưới thể hình Trong q trình chia lưới kích thước lưới thông 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 2) Kết cho thấy khơng có thay đổi đáng kể hệ số Nusselt số lượng phần tử lưới từ 120355 trở (hình 5) Dựa kết phân tích này, số lượng phần tử lưới lựa chọn cho mơ hình mơ 120355 phần tử Q trình mô coi hội tụ sai số lượng khối lượng nhỏ 10-4 sai số khác nhỏ 10-6 Trong nghiên cứu này, mơ hình mơ dịng chảy truyền nhiệt thực dựa số giả thiết sau [9]: + Môi chất chất lỏng nhớt (độ nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ áp suất) + Dịng chảy dịng ổn định + Sử dụng mơ hình rối k–ε tiêu chuẩn 2.3.2 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 trước xúc tác ba thành phần (hình 2) 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) Ngồi thơng số điều kiện biên thể bảng 1, 2, 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 Bản vẽ mơ hình 3D Hình Chia lưới mơ hình Hình Bản vẽ kết cấu ống hịa trộn 80 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Tập 58 - Số (10/2022) Hình So sánh hệ số Nusselt với số phần tử lưới khác Website: https://jst-haui.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 3.1 Phân bố vận tốc nhiệt độ khí thải khơng khí hệ thống Hình 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 Hình thể phân bố nhiệt độ hỗn hợp khí đường ống thải Các vị trí khảo sát bao gồm ba mặt cắt (hình 2) 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 ÷ 467oC), nhiệt độ nằm phạm vi làm việc hiệu BXT (t > 350oC), q trình phun khơng khí vào đường thải không ảnh hưởng đến nhiệt độ làm việc hiệu BXT 3.2 Đánh giá mức độ hòa trộn khơng khí khí thải Mức độ hịa trộn khơng khí khí thải đánh giá thông qua hệ số lưu lượng kk (Air Volume Fraction) tính tốn theo cơng thức: kk  Gkk Gkk  Gkt (6) 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, công thức biến đổi sau: fkk  Hình Phân bố vận tốc khí thải khơng khí với góc phun khác Gkk Gkk  Gkt  Gnl ( λ  λ )(A / F) Gnl ( λ  λ )(A / F)  Gnl ( λ (A / F)  1)  ( λ  λ )(A / F) λ(A / F)  (7) Trong λ0 hệ số dư lượng khơng khí khơng có bổ sung khơng khí (λ0 = 0,88 - bảng 1); λ hệ số dư lượng không khí đường thải có bổ sung khơng khí Theo [11], xúc tác hoạt động hiệu   (0,975    1,025), thay giá trị λ λ0 vào (7), hệ số lưu lượng khơng khí (kk) xác định sau: +Với  = 0,975 kk  ( λ  λ )(A / F) (0, 975  0, 88).14, 49   0, 091 λ (A / F)  0, 975.14, 49  + Với  = 1,025 kk  ( λ  λ )(A / F) (1, 025  0, 88).14, 49   0,133 λ ( A / F)  1, 025.14, 49  Như vậy, vùng hòa trộn hiệu đường thải vùng có hệ số lưu lượng kk nằm khoảng 0,091 0,133 Hình Phân bố nhiệt độ khí thải khơng khí  thay đổi từ 0o ÷ 180 Hình thể kết mơ hệ số lưu lượng khơng khí kk phía cuối đường ống (mặt cắt C-C) Kết tổng hợp hình 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 o Website: https://jst-haui.vn Vol 58 - No (Oct 2022) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 81 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 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 nhóm nghiên cứu tiến hành thiết kế xây dựng hệ thống bổ sung khơng khí vào đường thải động LỜI CẢM ƠN Chúng xin chân thành cảm ơn đề tài số 09-2021RD/HĐ-ĐHCN hỗ trợ kinh phí để nhóm tác giả hồn thành nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://www.vr.org.vn/thong-ke/Pages/tong-hop-so-lieu-phuong-tiengiao-thong-trong-ca-nuoc.aspx [2] http://cem.gov.vn/tin-tuc-moi-truong/o-nhiem-khong-khi-o-ha-noi20-nam-nghien-cuu [3] https://www.mt.gov.vn/tthc/tin-tuc/77484/chinh-thuc-ap-dung-tieuchuan-khi-thai-muc-5 -euro-5-tai-viet-nam-tu-ngay-1-1-2022.aspx Hình Hệ số lưu lượng khơng khí mặt cắt C-C [4] Nguyen Duy Tien, Khong Vu Quang, Nguyen The Luong, Pham Huu Tuyen, Nguyen The Truc, Bui Van Chinh, 2019 Effect of air injection into exhaust manifold to specifications, emissions and efficiency of three way catalyst equipped in motobike engine using caburator Journal of Science and Technology, Hanoi University of Industry Vol 55 [5] Nguyen Duy Tien, Khong Vu Quang, Nguyen The Luong, Pham Huu Tuyen, Nguyen Duc Khanh, 2020 Study on improving emission conversion efficiency of three-way catalyst equipped in carburetor motorcycle by air supplement system International Journal of Ambient Energy [6] Juan E.Tibaquira, 2018 The Effect of Using Ethanol-Gasoline Blends on the Mechanical, Energy and Environmental Performance of In-Use Vehicles Energies, vol 11, 221 [7] Bui Hai, Tran The Son, 2015 Ky thuat nhiet Science and Technics Publishing House, Hanoi [8] M Hatami, D.D.Ganji, M.Gorji-Bandpy, 2014 Numerical study of finned type heat exchangers for ICEs exhaust waste heat recovery Case Studies in Thermal Engineering 4, pp 53–64 [9] Ansys Fluent Theory Guide, Available: https://fr.scribd.com/document/342817281/ANSYS-Fluent-Theory-Guide [Accessed: August, 2018 [10] K.V Quang, at el, 2021 Developing a waste heat recovery tube used in the seawater distillation system Applied Thermal Engineering, Vol 195 [11] Ed Bode, Ed., 2002 Materials Aspects in Automotive Catalytic Converters Wiley/VCH, Weinheim, Germany, pages 1–281 Hình Tỷ lệ % theo kk (0,091 0,133) mặt cắt C-C KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu 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 82 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Tập 58 - Số (10/2022) AUTHORS INFORMATION Nguyen Duy Tien1, Khong Vu Quang1, Le Manh Toi1, Dinh Xuan Thanh2, Nguyen Huy Chien2, Nguyen Phi Truong2 Hanoi University of Science and Technology Hanoi University of Industry Website: https://jst-haui.vn ... chưa bổ sung khơng khí) Theo Juan E Tibaquira [6] hệ số A/F nhiên liệu sử dụng nghiên cứu - RON95 14,49 Lưu lượng khơng khí bổ sung tính tốn nhằm đảm bảo hệ số dư lượng khơng khí đường thải xác định. .. hình 2.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng sử dụng trình thử nghiệm xác định thông số đầu vào mơ hình mơ xe máy Zip 100 hãng Piaggio, dòng xe máy sử dụng hệ thống nhiên liệu chế hịa khí trang bị xúc... vận tốc nhiệt độ khí thải khơng khí hệ thống Hình 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