Luận án tiến sĩ nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số kết cấu đến đặc tính làm việc và phát thải của động cơ diesel chuyển đổi sử dụng khí thiên nhiên nén cng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN THANH TÂM NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THƠNG SỐ KẾT CẤU ĐẾN ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL CHUYỂN ĐỔI SỬ DỤNG KHÍ THIÊN NHIÊN NÉN (CNG) LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC HÀ NỘI - 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN THANH TÂM NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ KẾT CẤU ĐẾN ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL CHUYỂN ĐỔI SỬ DỤNG KHÍ THIÊN NHIÊN NÉN (CNG) Ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực Mã số: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Người hướng dẫn khoa học: GS.TS LÊ ANH TUẤN TS TRẦN ĐĂNG QUỐC HÀ NỘI - 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN THANH TÂM NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THƠNG SỐ KẾT CẤU ĐẾN ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL CHUYỂN ĐỔI SỬ DỤNG KHÍ THIÊN NHIÊN NÉN (CNG) Ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực Mã số: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Người hướng dẫn khoa học: GS.TS LÊ ANH TUẤN TS TRẦN ĐĂNG QUỐC HÀ NỘI - 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác! Hà Nội, tháng … năm 2022 TM TT HƯỚNG DẪN GS.TS Lê Anh Tuấn Nghiên cứu sinh TS Trần Đăng Quốc i Trần Thanh Tâm LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng Đào tạo, Viện Cơ khí Động lực Bộ mơn Động đốt cho phép thực luận án Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Xin cảm ơn Phịng Đào tạo Viện Cơ khí Động lực hỗ trợ giúp đỡ suốt q trình tơi làm luận án Tơi xin chân thành cảm ơn GS.TS Lê Anh Tuấn TS Trần Đăng Quốc hướng dẫn tơi tận tình chu đáo mặt chun mơn để tơi thực hồn thành luận án Tơi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn Động đốt Trung tâm nghiên cứu Động cơ, nhiên liệu khí thải - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội giúp đỡ dành cho điều kiện thuận lợi để hoàn thành luận án Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định hậu thuẫn động viên tơi suốt q trình nghiên cứu học tập Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy phản biện, thầy hội đồng chấm luận án đồng ý đọc, duyệt góp ý kiến q báu để tơi hoàn chỉnh luận án định hướng nghiên cứu tương lai Cuối xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình bạn bè, người động viên khuyến khích tơi suốt thời gian tham gia nghiên cứu thực cơng trình Nghiên cứu sinh Trần Thanh Tâm ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN .ii MỤC LỤC .iii DANH MỤC VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU .vi DANH MỤC HÌNH VẼ viii DANH MỤC BẢNG BIỂU .xi MỞ ĐẦU I Lý chọn đề tài II Mục tiêu đề tài .3 III Đối tượng phạm vi nghiên cứu .3 IV Phương pháp nghiên cứu V Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án VI Các điểm luận án .5 VII Bố cục luận án CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Nguồn gốc khí thiên nhiên 1.1.1 Nguồn gốc hữu 1.1.2 Nguồn gốc vô .6 1.1.3 Phân biệt nguồn gốc khí thiên nhiên 1.2 Trữ lượng khí thiên nhiên .8 1.2.1 Thế giới 1.2.2 Ở Việt Nam 1.3 Đặc điểm khí thiên nhiên .10 1.3.1 Thành phần 10 1.3.2 Tính chất đặc trưng 11 1.3.3 So sánh khí thiên nhiên với nhiên liệu gốc dầu mỏ 12 1.4 Khái niệm thông số kết cấu vận hành 13 1.4.1 Thông số kết cấu .13 1.4.2 Thông số vận hành 14 1.5 Tổng quan nghiên cứu động đốt sử dụng khí thiên nhiên 15 1.5.1 Các nghiên cứu nước .16 1.5.2 Các nghiên cứu nước 21 1.6 Kết luận chương 23 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHÁY Ở ĐỘNG CƠ ĐỐT CHÁY CƯỠNG BỨC SỬ DỤNG KHÍ THIÊN NHIÊN 25 iii 2.1 Tổng quan cháy cưỡng 25 2.2 Định luật bảo toàn khối lượng 26 2.3 Định luật thứ nhiệt động học 27 2.4 Một số mơ hình cháy cưỡng 28 2.4.1 Mơ hình cháy khơng chiều (Zero dimensional combustion model) 29 2.4.2 Mơ hình cháy Fractal (Fractal combustion model) 32 2.5 Mơ hình xác định trị số Ốc-tan u cầu (ON: Required Octane Number) 42 2.6 Mơ hình xác định vận tốc squish bên xylanh động (Squish velocity)43 2.7 Kết luận chương 44 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ THIÊN NHIÊN 45 3.1 Giới thiệu chung .45 3.2 Xây dựng điều khiển mô hình mơ động .47 3.2.1 Lựa chọn phần tử cho mơ hình kết nối phần tử 47 3.2.2 Nhập liệu chung cho mơ hình 48 3.2.3 Nhập liệu cho phần tử 49 3.2.4 Điều khiển mơ hình để xác định ảnh hưởng thơng số vận hành thông số kết cấu đến trị số Ốc-tan yêu cầu 55 3.2.5 Điều khiển mơ hình để xác định ảnh hưởng kết cấu buồng cháy, vị trí đặt bugi đến thời gian cháy .56 3.2.6 Điều khiển mơ hình để xác định ảnh hưởng thơng số kết cấu đến đặc tính làm việc động 56 3.2.7 Kết cấu hình học đỉnh piston .57 3.3 Hiệu chuẩn đánh giá độ xác mơ hình 58 3.4 Kết mô thảo luận 60 3.4.1 Ảnh hưởng thông số kết cấu vận hành đến trị số ốc tan yêu cầu 60 3.4.2 Ảnh hưởng tỷ số nén đến mô men công suất 70 3.4.3 Ảnh hưởng thông số kết cấu vận hành đến thời gian cháy 72 3.4.4 Ảnh hưởng hình dạng buồng cháy đến mô men công suất 76 3.4.5 Ảnh hưởng thơng số kết cấu đến khí thải 81 3.5 Kết luận chương 82 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 84 4.1 Chuyển đổi động diesel xylanh S1100 thành động khí thiên nhiên 84 4.1.1 Lắp đặt hệ thống đánh lửa 85 4.1.2 Vị trí lắp cảm biến áp suất 90 iv 4.1.3 Cảm biến lưu lượng khí nạp 91 4.1.4 Hệ thống cung cấp nhiên liệu khí thiên nhiên 91 4.1.5 Lựa chọn kết cấu hình học thay đổi tỷ số nén động 93 4.2 Mục đích thử nghiệm .95 4.3 Sơ đồ hệ thống thử nghiệm 95 4.4 Trang thiết bị thử nghiệm 96 4.4.1 Phanh điện APA100 97 4.4.2 Thiết bị đo lượng nhiên liệu 98 4.4.3 Tủ phân tích khí CEB-II 99 4.4.4 Cảm biến đo áp suất 99 4.5 Quy trình phạm vi thử nghiệm 99 4.5.1 Quy trình thử nghiệm 99 4.5.2 Phạm vi thử nghiệm 100 4.6 Kết thử nghiệm thảo luận 100 4.6.1 Ảnh hưởng hình dạng đỉnh piston tỷ số nén đến mô men, công suất 100 4.6.2 Ảnh hưởng hình dạng đỉnh piston tỷ số nén đến khả cháy .103 4.6.3 Ảnh hưởng hình dạng đỉnh piston tỷ số nén đến khí thải 105 4.6.4 So sánh kết tính tốn mơ với kết thực nghiệm 108 4.7 Kết luận chương 111 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 112 TÀI LIỆU THAM KHẢO .113 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 121 v DANH MỤC VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Ký hiệu/ viết tắt AVL Boost A/F BMEP CNG LNG IMEP QLHV ε λ CO CO2 HC NOx PM CH4 O2 He Ar N2 H2 S Me Ne ge Gnl IT n ma mf HRR ON Diễn giải Phần mềm mô hãng AVL Tỷ lệ khơng khí nhiên liệu Áp suất có ích trung bình Nhiên liệu khí thiên nhiên nén Khí thiên nhiên hố lỏng Áp suất thị trung bình Nhiệt trị thấp nhiên liệu Tỷ số nén Hệ số dư lượng khơng khí Cacbon monoxide Điơxít cacbon Hydro cacbon Nitric oxide Các chất thải dạng hạt Methane Ô xi Hê-li Argon Nitơ Hyđrơ sulfít Mơ men có ích Cơng suất có ích Suất tiêu hao nhiên liệu Lượng nhiên liệu Thời điểm đánh lửa Tốc độ động Lưu khối khí nạp Lưu khối nhiên liệu cấp Tốc độ giải phóng nhiệt Chỉ số Ốc-tan vi Ký hiệu/ viết tắt TKE MFB ĐCT ĐCD Db Hb OB OS Diễn giải MFB P V Q Cm ∆αc Động rối dịng mơi chất Hệ số khối lượng nhiên liệu cháy Điểm chết Điểm chết Đường kính lõm đỉnh piston Độ sâu vết lõm đỉnh piston Vị trí tâm lõm đỉnh piston Vị trí lắp đặt bugi Góc quay trục khuỷu Khối lượng nhiên liệu cháy Áp suất xylanh Thể tích buồng cháy Nhiệt lượng Tốc độ trung bình piston Thời gian cháy ηv Hệ số nạp WOT IEA TNHH MTV Air Fuel Bướm gió Cơ quan lượng quốc tế Trách nhiệm hữu hạn Một thành viên Khơng khí Nhiên liệu α vii