Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun tới phát thải CO theo độ mở bướm ga .... Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun tới phát thải NOx theo độ mở bướm ga.... Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầ
Trang 1LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi Các
số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định Kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan
Tôi xin cam đoan các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực phù hợp với thực tiễn của Việt Nam và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác
Trang 2LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên cho phép tôi gửi lời cảm ơn chân thành đến Đại học Bách khoa Hà Nội, Trường Cơ khí, Phòng đào tạo, Khoa Cơ khí động lực, Nhóm chuyên môn Hệ thống động lực ô tô, đã giúp đỡ và hỗ trợ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu
và thực hiện luận án
Tôi xin chân thành cảm ơn TS Trần Đăng Quốc và PGS.TS Cao Hùng Phi, hai người thầy đã hướng dẫn tôi rất tận tình, chu đáo về chuyên môn trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án
Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long đã tạo điều kiện, động viên tôi trong thời gian học tập và nghiên cứu
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy, cô, cán bộ Khoa Cơ khí động lực, trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Vĩnh Long đã hỗ trợ, động viên tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý thầy cô phản biện, thầy cô trong Hội đồng đánh giá luận án đã đồng ý đọc duyệt và đóng góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận án cũng như đưa ra những định hướng nghiên cứu trong tương lai Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè và đồng nghiệp, những người đã luôn động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án
Nghiên cứu sinh
Hồ Hữu Chấn
Trang 3MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU vi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ xii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xv
MỞ ĐẦU 1
i Lý do chọn đề tài 1
ii Mục tiêu của luận án 2
iii Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2
iv Phương pháp nghiên cứu 2
v Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2
vi Các điểm mới của luận án 3
vii Bố cục của luận án 3
CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 4
1.1.Tổng quan về nhiên liệu thay thế 4
Nhiên liệu sinh học (Biofuel) 5
Nhiên liệu hydrogen 8
1.2.Tổng quan về nhiên liệu khí thiên nhiên 10
Đặc tính nhiên liệu khí thiên nhiên 10
Nhiên liệu khí thiên nhiên nén (CNG) 13
Nhiên liệu khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG) 14
1.3.Các nghiên cứu về động cơ đốt trong sử dụng khí thiên nhiên nén 15
Hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG 16
Động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu 19
Động cơ CNG chuyển đổi từ động cơ xăng 21
Động cơ CNG chuyển đổi từ động cơ diesel 22
1.4.Tổng quan các nghiên cứu về động cơ sử dụng khí thiên nhiên 23
Các nghiên cứu ngoài nước 23
Các nghiên cứu trong nước 24
1.5.Kết luận chương 1 25
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGHIÊN CỨU CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ 27
2.1.Cơ sở hình thành hỗn hợp 27
2.2.Cơ sở lý thuyết quá trình cháy 29
Trang 4Các giả thuyết 31
Mô hình cháy không chiều 32
Khối lượng hỗn hợp đã cháy 33
Mô hình cháy một vùng: Tốc độ giải phóng nhiệt 33
2.3.Khái quát về mô phỏng 33
Phần mềm AVL Boost 34
Phần mềm Ansys Fluent 34
2.4.Nghiên cứu chuyển đổi động cơ 37
Lựa chọn động cơ 37
Nội dung kế thừa từ nghiên cứu của Trần Thanh Tâm 38
Nội dung phát triển trong chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu CNG 39
2.5.Xây dựng đặc tính làm việc của động cơ sau chuyển đổi 45
Thiết bị thí nghiệm 45
Phương pháp thí nghiệm 51
Kết quả thí nghiệm 53
2.6.Kết luận chương 2 55
CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG 56
3.1.Mục đích 56
3.2.Xây dựng mô hình động cơ nghiên cứu 56
Nghiên cứu động cơ mô phỏng bằng phần mềm AVL Boost 56
Xây dựng mô hình bằng Ansys Fluent 60
3.3.Hiệu chuẩn và điều khiển mô hình 67
Hiệu chuẩn mô hình trên AVL Boost 67
Điều khiển mô hình trên Ansys Fluent 69
3.4.Ảnh hưởng của thông số phun 69
Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun 69
Ảnh hưởng của lambda 75
Ảnh hưởng của thời gian phun 76
Ảnh hưởng của đường kính ống nạp 80
Ảnh hưởng của vị trí đặt vòi phun 85
Ảnh hưởng của áp suất phun 87
3.5.Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến đặc tính làm việc 89
3.6.Kết luận chương 3 92
CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 94
4.1.Mục đích 94
4.2.Lựa chọn vòi phun điều khiển bằng điện 94
Trang 54.3.Ảnh hưởng của áp suất phun điều khiển bằng cơ khí đến chất lượng làm việc của
động cơ 96
Ảnh hưởng đến mô men và công suất 96
Ảnh hưởng đến phát thải của động cơ 97
4.4.Ảnh hưởng của áp suất phun điều khiển bằng điện đến chất lượng làm việc của động cơ 99
Ảnh hưởng của áp suất phun điều khiển bằng điện đến lượng nhiên liệu cung cấp 99
Ảnh hưởng của áp suất phun đến công suất và mô men động cơ 101
Ảnh hưởng của áp suất phun đến khí thải 102
4.5.So sánh ảnh hưởng của giải pháp phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc của động cơ 104
4.6.So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng 107
4.7.Kết luận chương 4 110
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 111
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 113
TÀI LIỆU THAM KHẢO 114
PHỤ LỤC 128
Phụ lục 1 Kết quả mô phỏng Ansys Fluent 128
Phụ lục 2 Kết quả mô phỏng AVL Boost 129
Phụ lục 3 Kết quả thực nghiệm 136
Phụ lục 4 Quá trình chuyển đổi hệ thống làm mát động cơ thí nghiệm S1100: 138
Phụ lục 5 Hệ thống điều khiển đánh lửa và vòi phun 141
Trang 6DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
17 𝑡𝑓 Thời gian duy trì phun của role điện từ (s)
26 𝑚𝑑𝑒𝑙𝑖𝑣𝑒𝑟𝑦 Lượng nhiên liệu phun (g/s)
29 𝑉𝑑𝑖𝑠𝑝 Thể tích công tác xylanh (m3)
30 (𝐴/𝐹) 𝑒𝑛𝑔𝑖𝑛𝑒 Tỷ lệ A/F của nhiên liệu
Trang 733 𝑚𝐹,𝑒𝑓𝑓 Tổng lưu lượng nhiên liệu phun (kg/s)
34 𝑚𝐹,𝑖𝑛𝑗 Lưu lượng nhiên liệu phần tia phun (kg/s)
35 𝑚𝐹,𝑝𝑢𝑑𝑑𝑙𝑒 Lưu lượng nhiên liệu bám đọng trên thành ống
(kg/s)
(g/s)
38 (𝐴/𝐹) 𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 Tỷ số giữa không khí và nhiên liệu thực tế nạp vào
xylanh
39 (𝐴/𝐹) 𝑠𝑡𝑜𝑖𝑐ℎ𝑖𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑖𝑐 Tỷ số giữa không khí và nhiên liệu tính theo lý
thuyết
𝑑𝜃
Nhiệt truyền cho thành vách buồng cháy bởi khí trong xylanh
56 𝑀𝐹𝐵𝜃 Phần khối lượng được đốt cháy tại góc quay trục
khuỷu
57 Δ𝑝𝑐,𝑖 Mức tăng áp suất được hiệu chỉnh do quá trình đốt
cháy
Trang 860 𝑉𝑑 Dung tích xylanh (Lít)
61 𝜃𝑠, 𝜃𝑒 Góc quay bắt đầu và kết thúc của quá trình đốt cháy
66 𝑣⃗⃗⃗⃗⃗ 𝑚 Vận tốc của hỗn hợp (m/s)
71 𝐽⃗⃗⃗⃗⃗ 𝑗,𝑘 Thông lượng khuếch tán của chất j trong pha k
buoyancy
chảy rối nén được đến hệ số phân tán rối
76 𝐶1, 𝐶2, 𝐶3 Hằng số mô hình
80 𝑤𝑥, 𝑤𝑦, 𝑤𝑧 Vận tốc góc tức thời của dòng khí nạp với các trục
x, y, z tương ứng (rad/s)
81 𝐿𝑥, 𝐿𝑦, 𝐿𝑧 Mô men động lượng của dòng khí nạp ứng với các
trục x, y, z (kg.m2/s)
82 𝐼𝑥, 𝐼𝑦, 𝐼𝑧 Mô men quán tính tương ứng với các trục x y z
(kg.m2)
86 𝐶𝑂𝑉𝑖𝑚𝑒𝑝 Hệ số đánh giá sự thay đổi áp suất có ích trung bình
Trang 989 𝑚𝑓_𝑜 Lưu lượng nhiên liệu tính toán tại vị trí cửa ra ống
nạp (g/s)
Trang 10DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Trang 1133 RON Research Octane Number
Trang 12DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Mức tiêu thụ năng lượng tái tạo và điện năm 2015 và 2050 theo lĩnh vực
sử dụng [9] 4
Hình 1.2 Lượng sản xuất xăng sinh học và diesel sinh học trên thế giới từ 2005 đến 2017 (tỉ tấn) [51] 9
Hình 1.3 Sơ đồ phản ứng và trao đổi ion của một pin nhiên liệu màng trao đổi proton [73] .7
Hình 1.4 Số lượng phương tiện và trạm nạp nhiên liệu khí thiên nhiên trên thế giới năm 2019 [109] 12
Hình 1.5 Các loại bồn lưu trữ nhiên liệu CNG 14
Hình 1.6 Phân loại hệ thống đánh lửa và cấp nhiên liệu động cơ CNG [126] 16
Hình 1.7 Các hệ thống trên động cơ lưỡng nhiên liệu CNG-diesel [127] 17
Hình 1.8 Các hệ thống trên động cơ phun gián tiếp CNG [132] 18
Hình 1.9 Sơ đồ bộ hòa trộn CNG [133] 18
Hình 1.10 Ví dụ về các chi tiết của bộ hòa trộn CNG [134] 19
Hình 1.11 Bốn chu trình của động cơ lưỡng nhiên liệu CNG-diesel [151] 21
Hình 2.1 Phân chia quá trình cháy ở động cơ cháy cưỡng bức 30
Hình 2.2 Hình ảnh chuyển động của dòng khí theo các trục 36
Hình 2.3 Động cơ S1100 38
Hình 2.4 Cảm biến CKP và cảm biến CMP 39
Hình 2.5 Cảm biến lượng khí nạp và cảm biến vị trí bướm ga 40
Hình 2.6 Bộ điều khiển điện tử 40
Hình 2.7 Ống nạp và vòi phun điều khiển bằng điện 41
Hình 2.8 Bô bin đánh lửa và bugi 41
Hình 2.9 Bình chứa khí CNG và cụm van giảm áp 42
Hình 2.10 Thiết bị đo lưu lượng khí thiên nhiên 42
Hình 2.11 Hình dạng đỉnh piston sau chuyển đổi 43
Hình 2.12 Hệ thống lấy mẫu và phân tích khí thải 43
Hình 2.13 Hệ thống khởi động điện 44
Hình 2.14 Hệ thống làm mát bằng nước tuần hoàn cưỡng bức 44
Hình 2.15 Bảng điều khiển của băng thử MP 100S 45
Hình 2.16 Đặc tính làm việc của băng thử MP 100S 46
Hình 2.17 Mặt trước của máy phân tích khí thải KEG 500CE 48
Hình 2.18 Mặt sau của máy phân tích khí thải KEG 500CE 49
Hình 2.19 Sơ đồ lắp đặt máy phân tích KEG 500 50
Hình 2.20 Màn hình hiển thị chọn loại nhiên liệu sử dụng 51
Hình 2.21 Sơ đồ bố trí thiết bị phục vụ thí nghiệm 51
Hình 2.22 Động cơ và thiết bị thí nghiệm 52
Hình 2.23 Kết quả thí nghiệm ban đầu của động cơ sau khi chuyển đổi 53
Hình 2.24 Kết quả thí nghiệm của NOx và HC 54
Hình 2.25 Kết quả thí nghiệm của CO và CO2 54
Hình 3.1 Động cơ một xylanh mô phỏng bằng AVL Boost 56
Hình 3.2 Các thông số nhập vào trong mô hình cháy Fractal 57
Hình 3.3 Nhập thông sổ điều khiển vòi phun nhiên liệu 58
Hình 3.4 Cửa sổ chọn kiểu phun nhiên liệu 58
Trang 13Hình 3.5 Thông số mô hình truyền nhiệt 59
Hình 3.6 Mô hình ma sát 59
Hình 3.7 Mô phỏng đường ống nạp bằng phần mềm Ansys Fluent 60
Hình 3.8 Giao diện Mô-đun Fluid Flow (Fluent) 60
Hình 3.9 Giao diện xây dựng mô hình Geometry 61
Hình 3.10 Mô hình sau chia lưới 61
Hình 3.11 Bảng tùy chọn thiết lập chung 62
Hình 3.12 Kích hoạt phương trình năng lượng 62
Hình 3.13 Bảng tùy chọn mô hình rối 63
Hình 3.14 Bảng tùy chọn loại mô hình 63
Hình 3.15 Bảng chọn chế độ pha 64
Hình 3.16 Bảng tùy chọn nhiên liệu 64
Hình 3.17 Bảng nhiên liệu 65
Hình 3.18 Bảng tùy chọn thành phần khí 65
Hình 3.19 Khai báo đầu vào cho đường nạp 66
Hình 3.20 Khai báo áp suất phun nhiên liệu 66
Hình 3.21 Cài đặt số vòng lặp 67
Hình 3.22 Kết quả hiệu chuẩn mô hình 67
Hình 3.23 Hiệu chuẩn mô hình theo khí thải động cơ 68
Hình 3.24 Mô phỏng đường ống nạp bằng phần mềm Ansys Fluent 69
Hình 3.25 Mô hình sau chia lưới 69
Hình 3.26 Ảnh hưởng của thời điểm phun đến mô men động cơ theo độ mở bướm ga 70
Hình 3.27 Sự thay đổi của HC theo thời điểm bắt đầu phun theo độ mở bướm ga 71 Hình 3.28 Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun tới phát thải CO theo độ mở bướm ga 72
Hình 3.29 Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun tới phát thải NOx theo độ mở bướm ga 72
Hình 3.30 Ảnh hưởng của thời điểm phun đến mô men động cơ tại các tốc độ động cơ khác nhau 73
Hình 3.31 Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun tới phát thải NOx tại các tốc độ động cơ khác nhau 74
Hình 3.32 Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun tới phát thải CO tại các tốc độ động cơ khác nhau 75
Hình 3.33 Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun đến thành phần phát thải HC theo tốc độ động cơ 75
Hình 3.34 Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí đến mô men 76
Hình 3.35 Ảnh hưởng thời gian phun đến mô men 76
Hình 3.36 Ảnh hưởng của thời gian phun đến lamda 77
Hình 3.37 Ảnh hưởng của thời gian phun đến diễn biến áp suất trong xylanh 78
Hình 3.38 Ảnh hưởng của thời gian phun đến tổng thời gian cháy của hỗn hợp 78
Hình 3.39 Ảnh hưởng của thời gian phun đến tỉ lệ khối lượng cháy của hỗn hợp 79
Hình 3.40 Ảnh hưởng của thời gian phun đến tốc độ giải phóng nhiệt 79
Hình 3.41 Ảnh hưởng của lượng nhiên liệu nạp vào động cơ theo sự thay đổi của đường kính ống nạp khi thay đổi tốc độ động cơ 80
Hình 3.42 Ảnh hưởng của đường kính ống nạp tới mô men theo tốc độ động cơ 81
Trang 14Hình 3.43 Ảnh hưởng của kích thước đường ống nạp tới mô men động cơ 82
Hình 3.44 Ảnh hưởng của kích thước đường ống nạp tới công suất động cơ 82
Hình 3.45 Ảnh hưởng của đường kính ống nạp đến phát thải NOx 83
Hình 3.46 Ảnh hưởng của đường kính ống nạp đến phát thải CO 84
Hình 3.47 Ảnh hưởng của đường kính ống nạp đến phát thải HC 85
Hình 3.48 Ảnh hưởng của vị trí vòi phun đến vận tốc trung bình của hỗn hợp 86
Hình 3.49 Ảnh hưởng của vị trí vòi phun đến vận tốc trung bình của nhiên liệu 86
Hình 3.50 Ảnh hưởng của vị trí vòi phun đến động năng rối của hỗn hợp 87
Hình 3.51 Ảnh hưởng của áp suất phun đến lưu lượng phun nhiên liệu 87
Hình 3.52 Ảnh hưởng của áp suất phun đến vận tốc của dòng nhiên liệu trên đường nạp 88
Hình 3.53 Ảnh hưởng của áp suất phun đến vận tốc trung bình của dòng khí 89
Hình 3.54 Ảnh hưởng của áp suất phun đến động năng rối của hỗn hợp 89
Hình 3.55 Mô men thay đổi theo tốc độ động cơ 90
Hình 3.56 Công suất thay đổi theo tốc độ động cơ của động cơ 90
Hình 3.57 Khí thải HC theo tốc độ động cơ 91
Hình 3.58 Khí thải CO theo tốc độ động cơ 91
Hình 3.59 Khí thải NOx theo tốc độ động cơ 92
Hình 4.1 Lưu lượng CNG cấp vào xylanh theo mô phỏng 95
Hình 4.2 Vòi phun khí Hana H2100 95
Hình 4.3 Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến mô men động cơ 96
Hình 4.4 Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến công suất của động cơ 97
Hình 4.5 Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến phát thải CO 98
Hình 4.6 Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến phát thải HC 98
Hình 4.7 Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến phát thải NOx 99
Hình 4.8 Ảnh hưởng của áp suất phun đến lượng nhiên liệu cung cấp tại các tốc độ động cơ khác nhau 99
Hình 4.9 Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến hệ số dư lượng không khí lambda 100
Hình 4.10 Ảnh hưởng của áp suất phun đến công suất của động cơ tại các tốc độ động cơ khác nhau 101
Hình 4.11 Ảnh hưởng của áp suất phun đến mô men của động cơ tại các tốc độ động cơ khác nhau 101
Hình 4.12 Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến lượng phát thải CO 102
Hình 4.13 Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến lượng phát thải HC 102
Hình 4.14 Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến lượng phát thải NOx 103
Hình 4.15 Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến lượng phát thải CO2 103
Hình 4.16 So sánh ảnh hưởng của chế độ phun đến mô men 104
Hình 4.17 Ảnh hưởng của chế độ phun nhiên liệu đến công suất động cơ 105
Hình 4.18 Ảnh hưởng của chế độ phun đến khí thải NOx 105
Hình 4.19 Ảnh hưởng của chế độ phun nhiên liệu đến phát thải HC 106
Hình 4.20 Ảnh hưởng của chế độ phun nhiên liệu đến phát thải CO 106
Hình 4.21 So sánh mô men động cơ giữa thực nghiệm và mô phỏng 107
Hình 4.22 So sánh công suất động cơ giữa thực nghiệm và mô phỏng 108
Hình 4.23 So sánh lượng khí thải HC giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng 109
Hình 4.24 So sánh lượng khí thải NOx giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng 109