Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật hàng không: Mô phỏng quá trình cháy động cơ Diesel RV165-2

Trong nghiên cứunày, động cơ được mô hình hóa và mô phỏng bằng phần mềm tính toán số CFDComputational Fuid Dynamics 3D AVL FIRE v.2013; quá trình mô phỏng tập trung vao giai đoạn từ thời

VU VAN HON

MO PHONG QUA TRINH CHAY DONG CO DIESEL RV165-2

Chuyên ngành: Kỹ thuật Hang khong

Mã số: 11424232

TP Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2014

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS TS Nguyễn Anh Thi

Cán bộ cham nhận xét 1 : TS Nguyễn Chí Công

Cán bộ cham nhận xét 2 : TS Pham Minh Vương

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tai Trường Dai học Bách Khoa, DHQG Tp HCM

ngày 10 tháng 01 năm 2015

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vi của Hội đông cham bảo vệ luận văn thạc si)

1 PGS TS Nguyễn Thiện Tổng Chủ tịch hội đồng2 TS Lê Thi Hồng Hiếu Thư ký hội đồng3 TS Nguyễn Chí Công Uỷ viên

4 TS Huỳnh Đình Bảo Phương Uy viên5 TS Phạm Minh Vương Uy viên

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên

ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA

KY THUAT GIAO THONG

NHIEM VỤ LUẬN VAN THẠC SĨHọ và tên học viên: Vũ Văn Hon MSHV: 11424232Ngày tháng năm sinh: 24/05/1981 Nơi sinh: Phú Thọ

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hàng Không Mã số: 605231I TÊN DE TÀI: MÔ PHONG QUA TRÌNH CHAY DONG CO DIESEL

2 Nghiên cứu đề xuất các giải pháp kỹ thuật thay đôi góc phun sớm nhiên liệu

và cải tiên buông cháy; xây dựng mô hình mô phỏng trên phân mém AVLFIRE theo định hướng giảm khí thải dựa trên các điêu kiện vận hành khácnhau của động cơ Vikyno RV65-2.

3 Dựa trên kết quả đạt được, đánh giá ảnh hưởng của góc phun sớm nhiên liệu

và biên dạng của buông cháy đên đặc tính công suât và khí thải của động cơ.Từ đó, đê xuât ý kiên cải tiên buông cháy động cơ trên.

Ill NGÀY GIAO NHIEM VU: 10/02/2014Iv NGAY HOAN THANH NHIEM VU:10/01/2015Vv CAN BO HUONG DÂN: PGS.TS NGUYEN ANH THI

Thành phố Hồ Chi Minh, ngày 10 tháng 01 năm 2015CÁN BO HƯỚNG DAN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

PGS TS Nguyễn Anh Thi

TRUONG KHOA KY THUẬT GIAO THONG

(Họ tên va chữ ky)

Trước hết tôi xin gửi lời cảm ơn tới quý thay cô trong Bộ môn Kỹ thuật Hangkhông, Khoa Kỹ thuật Giao thông - Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh đã truyềnđạt những kiến thức quý báu và sâu rộng về ngành cũng như sự động viên, giúp đỡtôi trong suốt thời gian học tập và làm luận văn tại trường.

Xin chân thành cảm ơn Phó Giáo sư, Tiến sĩ Nguyễn Anh Thi ấ dành r ấtnhiều thời gian tận tình hr ớng dẫn, giúp đỡ và chia sẻ kinh nghiệm nghiên cứu dé

giúp tôi hoàn thành luận văn.

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới quý thây cô trong Phòng thí nghiệm động cơđốt trong, Khoa Kỹ thuật Giao thông đã tạo điều kiện về mọi mặt để tôi hoàn thànhchương trình mô phỏng trong dé tài nghiên cứu của mình

Do thời gian có hạn, kinh nghiệm nghiên cứu khoa học chưa nhiêu nên luậnvăn còn nhiêu thiêu sót, rat mong nhận được ý kiên đóng góp của thay cô và cácbạn.

Vũ Văn Hon

RV165-2, loại một xylanh, phun nhiên liệu trực tiếp bang cach thay đối thời điểmphun nhiên liệu và các biên dạng của buồng cháy động cơ Đây là loại động cơ đượcsản xuất tại Việt Nam và sử dụng trong ĩnh v ực nông nghiệp Trong nghiên cứunày, động cơ được mô hình hóa và mô phỏng bằng phần mềm tính toán số CFD

(Computational Fuid Dynamics) 3D AVL FIRE v.2013; quá trình mô phỏng tập

trung vao giai đoạn từ thời điểm đóng xupap nap cho đến trước khi xupap xả mở; có03 góc phun nhiên liệu và 04 dạng buồng cháy được xem xét (gồm cả góc phunnhiên liệu và buồng cháy hiện hữu của động co) - để khảo sát ảnh hưởng đến đặctính công suất và khí thải động cơ Các thông số đặc tính tiêu biểu: công suất,

moment, tiêu hao nhiên liệu, lượng khí thải NO, và Soot (muội than) được lựa chọn

để làm tiêu chuẩn đánh giá

Kết quả nghiên cứu cho thấy: Việc lựa chọn góc phun sớm phủ hợp theo tốcđộ và tải cho phép sẽ tối ưu hài hòa gi ữa hàm lượng khí thải và hiệu suất của độngcơ; buồng cháy dạng 2 cho đặc tính tốt nhất về công suất và khí thải cho động cơnghiên cứu khi vận hành tại các tốc độ 2400 và 1900 v/ph, tải 100%

Từ khóa: Khí thai động cơ diesel; Tinh toán số động lực học lưu chất; Gócphun nhiên liệu; Biên dạng buông cháy

ABSTRACT

This thesis presents a simulation study on performance and emissioncharacteristics of one-cylinder diesel engine with direct fuel injection, using thechanging of injection timing (IT) and combustion chamber profiles The engine inthe thesis, made in Vietnam, is widely used for agricultural purpose In this study,the engine was modeled by commercial advanced simulation CFD tools, code AVLFIRE v.2013 Process simulation focus on the effect of three injection timing andfour different cases of combustion chamber profiles (including baseline case) fromintake valve closed (IVC) to the exhaust valve opening (EVO) in two operationpoints - on engine performance and emission characteristics An optimal bowl was

The obtained result indicated that, If modify injection timing conform withspeed runing of engine, emission and efficiency of engine are best; the propercombustion chamber is found to be the 2" case of piston is suitable for the enginewhile running at speeds of 1900 rpm and 2400 rpm at full-load conditions.

Keywords: Diesel Engine Emission; Computational Fluid Dynamics (CFD);Injection Timing (IT); Combustion Chamber Profiles.

Tôi cam đoan:

Đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được aicông bố trong bat kỳ công trình nào khác

Các đoạn trích dẫn và số liệu kết quả sử dụng để so sánh trong luận văn nàyđều được dẫn nguồn và có độ chính xác cao nhất trong phạm vi hiểu biết của

fÔI.

Thành pho Hô Chi Minh, ngày 01 tháng 12 năm 2014

Tác gia

Vũ Văn Hon

Chương 1 TONG QUAIN 5 5-55 chư gveeeeeeeeeesee 12

1.1 Giới thiệu chung d5 5 5S 999999 69999999 999946 60898899996 12

1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên €ứu 5-5 5-5 5s << s£<esesesesesesese 141.2.1 Đối tượng nghiên €ỨU - - + SE gEgEeEerrererees 14

1.2.2 Pham vi và mục đích nghiÊn CỨU << << 55553 eeeeeeessessss 16

1.3 Phương pháp nghiÊn CỨU d5 552% 9999 189999966669999956 16

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của dé tài - 5 << <c<s<sesesese 161.4.1 Ý nghĩa khoa hỌC - - - k9 SE cvctv vn gEgEEErxrrrkeo 161.4.2 Ý nghĩa thực tite ccc cccccscscccsssesscscscscscsessecscscscessssvsvevevevseeeseeees 17Chuong 2 CƠ SỞ LY THHUYẾ T 5 5-5-5 5° << << sssesesesesesee 182.1 Giới thiệu về quá trình cháy và hình thành khí thải trong động co

2.4 Nghiên cứu quá trình cháy dùng công cu tính toán mô phỏng số 34

2.4.1 Lý thuyết về tính toán số động lực học lưu chất (CED) 34

2.4.2 Quá trình mô phỏng tính số toán động lực học lưu chất (CEFD) 37

DONG CƠ VIKYNO RV165-2 BANG PHAN MEM AVL FIRE 41

3.1 Mo hình hóa và mô phỏng hoạt động động cơ Vikyno RV165-2 với

buồng cháy hiện hữu - 5555 cư cư cư cư g e eeeeeeeeeeeeeeesoee 413.1.1 Thiết lập mô hình (Pre-processing) - «sex ekeeeeeeresree 41

3.1.2 Chạy chương trình (Processing) << << verreeseesssssss 56

3.1.3 Kết quả mô phỏng (Posf-prO€€sSing) s5 sex cv ekeeeereeree 573.2 Một số giải pháp công nghệ cho động cơ va mô phỏng so sánh kiểm

chứng với động cơ hiện hữU «<< << << 6 9999999999999 6088888688666 60

3.2.1 Giải pháp thay đôi thời điểm phun sớm nhiên liệu vào buông cháy 603.2.2 Giải pháp cải tiễn biên dạng buông cháy của động cơ 67Chương 4 KET LUẬN VÀ CÁC KIÊN NGHỊ - << << s<s 76TÀI LIEU THAM KHẢOO 5 5-5-5 5< S5 5s 2 S3 EsEs£SeE sEsEseseeeecsesesee 77

PHU LUC waecccssssssscsscsscccsecsssccssccsscccssecssccsscesssecsscesssesscscsssersvecsssesssecsesesnsessesesseerseee 79

Hình 1.1 Động cơ VikynolRV ]ÓS-2 - 11111 11v T11 g1 111g ngờ 15

Hình 1.2 Đồ thị đặc tính ngoài của động co VikynoRV165-2 - -c+ccs: 15Hình 2.1 Đồ thị triển khai quá trình cháy của động co diesel [4] -: 18Hình 2.2 Thanh phan khí thai động co diesel theo hệ số dư lượng không khi 21Hình 2.3 Ap suất bên trong xilanh tai 4 thời điểm phun nhiên liệu khác nhau [6] 26Hình 2.4 Ảnh hưởng của thời điểm phun nhiên liệu đến thành phần khí thải NO, vàmuội than trên động cơ thương mại tại tốc độ 1.425 v/ph [6] : - 28

Hình 2.5 Khí thải NO,, khói den và lượng tiêu hao nhiên liệu ứng với từng thời

điểm phun nhiên liệu va áp suất phun [6 ] - -¿- - + +S+E+E+EEEE£E+E+E£k+E+Eexexeeeesese 29

0/370 30

Hình 2.8 Các thông số hình học co ban của buồng cháy động cơ -: 31

Hình 2.14 Khu vực trung tam - - << << c5 5111133111111311999331 111111111 kg 34

Hình 3.1 Biên dạng buông cháy của động cơ Vikyno RV165-2 - 5c: 42Hình 3.2 Các thông số nhập cho kim phun 2-2-5 S+E+EEEE£E‡E£E£E+E£EeEeeeeeeee 42Hình 3.3 Mô hình buồng cháy của động cơ Vikyno RV165-2 sau khi chia lưới 43

Hình 3.4 Công cụ check mesh c1 1113333311111 111 1311811111111 11111 nen 43

Hình 3.5 Giản đồ đóng mở xupap động cơ Vikyno Rv125-2 - -cssccsesescee 44

Hình 3.8 So sánh kết quả áp suất trong xilanh mô phỏng và thực nghiệm 59

Hình 3.9 NO mass fraction n= 2400 víph, tải 100% - c5 5S S<ss+++++sssssss 62

Hình 3.10 Soot mass fraction n= 2400 víph, tải IÖ% ccSSSSSSS++++sssssss 63

Hình 3.11 So sánh kết quả áp suất trong xilanh tại các góc phun sớm nhiên liệu 64Hình 3.12 So sánh kết quả nhiệt độ trong xilanh tại các góc phun sớm nhiên liệu 65Hình 3.13 So sánh đặc tính công suất và phát thải của động cơ tại các góc phun sớm

MEN NHSVU 0 66

Hình 3.14 NO mass fraction n= 2400 víph, tải 100% - 5555 < << 69

Hình 3.15 Soot mass fraction n= 2400 v/ph, tải IÖ% ccSSSSScS++++sssssss 70

Hình 3.16 So sánh kết qua áp suất trong xilanh của động co với các phương an cảitiễn buồng cháy G111 1111111111011 111111111 HH g0 0 vo 72Hình 3.17 So sánh kết quả nhiệt độ trong xilanh của động cơ với các phương án cảitiễn buồng cháy G111 1111111111011 111111111 HH g0 0 vo 73Hình 3.18 So sánhđ ặc tính công suất và phát thải của động cơ với các phương áncải tiền buồng cháy với n=2400v/ph; tải 100%; IT=-22.5degCA - 5-5: 74Hình 3.19 So sánh đặc tính công suất và phát thải của động cơ với các phương áncải tiền buồng cháy với n=1900v/ph; tải 100%; IT=-22.5degCA - 55s: 74

Bang 1.1 Tác hai của các chất gây 6 nhiễm trong khí thải động cơ [3] 12

Bang 1.2 Tính năng kỹ thuật động cơ Vikyno R16 Š-2 - 5c cccssisssesss 15

Bang 2.1 Các thông số anh hưởng đến khí thải động cơ [6] 5- - 255: 27Bang 3.1 Thông số chung vé động cơ trong AVL FIRE -5- 2 2 s+s+s+eszeei 41

Bang 3.2 Cac module tính toán trong AVL FIRE ESE DIESEL 45

Bảng 3.3 Các điều kiện biên trong AVL FIRE ESE DIESEL - 5-5¿ 46Bảng 3.4 Các điều kiện biên cho piston động cơ Vikyno RV165-2 - 48Bảng 3.5 Các điều kiện ban đầu - «s11 819191 E111 1 11v gerreg 49Bảng 3.6 So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm - + 6 6+sx+s+E+E+Esese 57Bảng 3.7 So sánh đặc tính công suất và phát thải giữa các góc phun sớm nhiên liệu

khác nhau tại 2400 v/ph, tải IÔ%,, cG G00 0001111111119992331 111111 1n 60

Bảng 3.8 So sánh đặc tính công suất và phát thải giữa các góc phun sớm nhiên liệu

khác nhau tại 1900 v/ph, tải IÔ%,, -cGG 01 100101111111999331 1111111 1kg ng 61

Bảng 3.9 Các trường hop thay đôi biên dạng buông cháy của động cơ 68Bảng 3.10 So sánh đặc tính công suất và phát thải giữa các buồng cháy khác nhau

tại 2400 v/ph, tải 1Ö ?%,, HH TH 71

Bảng 3.11 So sánh đặc tinh công suất và phát thai giữa các buồng cháy khác nhau

tại 1900 v/ph, tải 1Ö ?%,, ch 71

Ký tự

Ký tự

COCO,HOHC

NO,O;

DANH SÁCH CÁC KÝ TỰ VÀ CHỮ VIET TAT

Các ký tự

Ý nghĩaNăng lượng động học dòng chảy rỗiÁp suất

Thời gian

Tốc độ theo phương iHệ số dư lượng không khí

Góc phun sớm nhiên liệu

Tốc độ khuếch tánNăng lượng tiêu tán trong một don vị thé

và một đơn vi thời gian

Hệ số nhớt động lực họcHệ số nhớt động

Hiệu suấtKhối lượng riêngỨng suất nhớtHang số Prandtl rỗi của kHang số Prandtl rỗi của ¢

Các ký hiệu hóa học

Ý nghĩa

CarbonCarbon MonoxideCarbon DioxideNước

HydrocarbonKhí NitoOxide NitơKhí Oxy

Đơn vị27.2m*‘/s

2m*‘/s

do

27.3m*‘/s

kg/m.s

m/s

%

kg/mỶ, g/cm”N/m?

Chữ viết tắt

BCBDCBSFCBTDCCFD

CFMDES

DNS

EVMFEMdegCA CA)

HPIT

LES

PDFPM

RSMSITDC

Computational Fluid Dynamics

Coherent Flame ModelsDetached Eddy Simulation

Direct Numerical Simulation

Eddy Viscovity ModelsFine Elements ModelsDegree Crank Angle

House PowerInjection TimingLarge Eddy ScaleProbability Density FunctionParticulate Matter

Reynolds Stress ModelsSpark Ignition

Top Dead CenterTurbulent Kinetic EnergyUnsteady ReynoldsNavier-Stokes

Averaged

Điều kiện biênĐiểm chết dướiSuất tiêu hao nhiên liệuTrước điểm chết trênTính toán số động lực học lưuchất

Mô hình ngọn lửa kiên kếtKết hợp giữa phương pháp

trung bình Reynolds và tỷ lệ

rối lớnPhương pháp giải trực tiếp

phương trình Navier-StokesMô hình độ nhớt động

Phương pháp phần tử hữu hạn

Độ (đơn vi góc tính theo gócquay trục khuyu động co)

Mã LựcGóc phun dầu sớmTy lệ rối lớnMô hình hàm xác suấtBỏ hong, thành phân hạtMô hình ứng suất Reynolds

(Động cơ) cháy cưỡng bức

Điểm chết trênNăng lượng rỗi

Phương pháp truhwdh bReynolds

Chương 1 TONG QUAN

1.1 Giới thiệu chung

Dầu thô, khí ga và than đá là những nhiên liệu hóa thạch, nó có vai trò cốt lõitrong nên kinh tế và năng lượng thé giới Hiện nay, nên kinh tế công nghiệp hiện đạiphụ thuộc hoàn toàn vào nhiên liệu hóa thạch là các nguồn nguyên liệu chính cungcấp năng lượng phục vụ cho các ngành công nghiệp, nông nghiệp, xây dựng, giaothông vận tải, quân sự, [1] Tuy nhiên, nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch lànguôn nhiên liệu không thể tái sinh, việc sử dụng tràn lan và nhu cầu ngày cảngtăng do sự công nghiệp hoá, hiện đại hoá được dự báo sẽ dẫn đến sự cạn kiệt nguồnnhiên liệu này trong tương lai gần Nếu cứ tiếp tục với mức tiêu thụ năng lượng tăngdan hàng năm như hiện tại thì nguồn dau thô có khả năng cạn kiệt trong 49 năm tới[2] Bên cạnh đó là hiện tượng biến đổi khí hậu do phát thai ô nhiễm môi trường từviệc sử dụng các nguồn năng lượng trên dẫn đến các hiện tượng động dat, sóngthần, bão lụt xảy ra liên tục trên toàn thế giới trong những năm gan đây Đây lànhững van dé dang được quan tâm hàng dau của các quốc gia phát triển cũng nhưđang phát triển

Động cơ nhiệt dùng nhiên liệu truyền thống (như xăng, diesel, ) hiện là mộttrong những nguồn động lực chủ yếu được lắp đặt và sử dụng trong công nghiệp,

nông nghiệp, ô tô chuyên dùng trong các công trình xây dựng: đặc biệt là trong lĩnh

vực giao thông vận tải Tuy nhiên, một trong những hạn chế của loại động cơ này làgây ra sự gia tăng đáng kế mức phát thai 6 nhiễm đối với môi trường Khí thải củađộng cơ đốt trong chứa các chất độc hại như CO, CO, HC, NO, và thành phan hatmuội than đã gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người, cũng như ảnh hưởng đến môitrường Bảng 1.1 tóm tắt các ảnh hưởng chính của các thành phần gây ô nhiễmtrong khí thải động cơ đến sức khỏe con người và môi trường [3]

Bang 1.1 Tác hại của các chất gây ô nhiễm trong khí thải động co [3]Chất ô nhiễm Nguồn phát thải Ảnh hướng chính

CO Ô tô: 93% Các | Cản trở sự trao đổi O; trong máu và gây

nguôn sinh nanglượng

ngộ độc CO (nêu nông độ CO trong khôngkhí từ 30 đến 45 ppm thì sẽ làm tê liệt hệthân kinh thực vật)

HC Ô tô: 57% Lọc dầu,

sử dụng các dungmôi: 43%

Kích thích thành bên trong của các cơ quan

hại phối Nếu nông độ NO; trong khí

quyên 3-5 ppm thìđã có d ấu hiệu của sựkích thích Kích thích lên mắt, mũi ở 10-30ppm gây ho, đau đầu, chóng mặt ở 30-50ppm.

Lam giam qua trinh quang hop cua cayxanh.

Muội than

(PM)

Do ham lượng lưuhuỳnh cao, nhiên liệuvà nhớt bôi trơn chưa

cháy hết kết hợp

Gây ung thư đường hô hấp Bồ hóng bám

vào cây co làm giảm kha năng quang hop,

cây cối dễ bị héo chết Bồ hóng bám vào

công trình xây dựng gây ra ăn ờm kimloại.

Động cơ mang nãn hi éu Vikyno/Vinapro của Công ty TNHH Một Thành

Viên Động Cơ và Máy Nông Nghiệp Miền Nam (SVEAM) hiện đang là những sảnphẩm động cơ chính của Việt Nam trên thị trường và là sản phẩm chủ lực của BộCông Thương về động cơ đốt trong Theo số liệu thống kê của công ty SVEAM,hiện nay hang năm công ty cung cấp tổng cộng hơn 45.000 động cơ trên tổng sốkhoảng 48.000 động cơ sản xuất tại Việt Nam ra thị trường mỗi năm (Nguồn:

http://www.vietaz.com.vn/store/4502/about.htm) Trong các dòng sản phẩm củaSVEAM, động cơ RV165-2 là một trong những san phẩm chủ lực của SVEAM bán

trên thị trường.

Hiện tại, thực trạng về đặc tính phát thải của loại động cơ này là chưa đượccông bố Những nghiên cứu tiêu biểu trên dòng sản phẩm này gồm: nghiên cứu vềcải tiến hệ thống nhiên liệu va nghiên cứu về nâng cao hiệu suất và công suất chođộng cơ Tuy nhiên, các nghiên cứu trên chưa cho thấy đặc tính phát thải của động

cơ Vikyno RVI65-2 hiện tại Ngoài ra, những phương án cải thiện mức phát thải

của dòng sản phẩm này phục vụ cho nhu cầu xuất khẩu và thương mại trong nước

chưa được đê cập.

Với thực trạng này, việc nghiên cứu đặc tính công suất và phát thải của độngcơ là rất cần thiết Có nhiều hướng nghiên cứu để giảm phát thải ô nhiễm của độngcơ như tác động vào quá trình nạp, tác động về mặt nhiên liệu, tác động vào khí thải

động co, tác động vào quá trình cháy Trong phạm vi của luận văn chúng ta tập

trung vào nghiên cứu quá trình cháy của động cơ, đưa ra một số giải pháp kỹ thuậttác động vào quá trình cháy như thay đổi thời điểm phun nhiên liệu, thay đối biêndạng buông cháy của động cơ, nhằm cải thiện quá trình cháy, giảm thiểu các thànhphân khí thải

1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu1.2.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu chính là buồng cháy động cơ Diesel một xylanh VikynoRV165-2, đây là dòng động cơ sản xuất bởi công ty TNHH MTV Động cơ và Máynông nghiệp Miền Nam (SVEAM) được sử dung rộng rãi tại thị trường Việt Nam.Thông số kỹ thuật của động cơ được thể hiện chỉ tiết trong Hình 1.1; 1.2 và Bang

1.2

17 416 415+14413 412411410 4H.P.

5.0

—†” tas

46kg-m

_—”

Nel _

„.=

A Na

2

e km

180g/HP-h

Hình 1.1 Động cơ VikynoRV165-2

12001400 1600 1800 2000 2200 2400 r.p.m.

RV165-2Hình 1.2 Dé thị đặc tính ngoài của động cơ

VikynoRV165-2

N.: Công suất tối da (HP), N„: Công suất định mức (HP),

T1: moment xoan (kgm), bạ: Suât tiêu hao nhiên liệu (g/HP.h)(Nguon: http://www.sveam.com/?id_pproductv=123&lg=vn&start=0)

Bang 1.2 Tinh nang kỹ thuật dong co Vikyno RV165-2

(Nguôn: http://www.sveam.com/?id_pproductv=123&lg=vn&start=0)

KIEU RV165-2Loai 4 ky, 1 xilanh, năm ngang

Duong kinh x Hanh trinh pitt6ng (mm) 105 x 97

Thé tích xylanh (em) 839Công suat định mức (Mã lực/vòng/phút) 14/2200Công suất tối đa 16.5/2400

Moment cực dai (kgm/vòng/phút) 4.9/1800

Tỉ số nén 18Nhiên liệu Dâu dieselThể tích thùng nhiên liệu (lít) 11Suất tiêu thụ nhiên liệu (g/Mã lực/giờ) 175Áp suất mở vòi phun (kg/cm’) 220Dâu bôi trơn Nhớt 30 (SAE30,20, 10w-30)Thể tích dâu bôi trơn (lít) 4.0

Hệ thông đèn chiêu 12V-25WHệ thông làm mát Kết nướcThể tích nước làm mát (lít) 2.6

Trọng lượng (kg) 132

1.2.2 Pham vi va mục đích nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu này là kiểm chung lại đặc tính của động cơ RV165-2 và đưara một số giải pháp công nghệ: thay đổi thời điển phun nhiên liệu vào buồng cháy,cải tiễn buồng cháy của động cơ Mục đích nham nâng cao quá trình hình thành hỗn

hợp và sự cháy, từ đó cải thiện đặc tính phát thai của động cơ RV165-2.

13 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:Sử dụng lý thuyết tính toán số động lực học lưu chất (CFD), Lý thuyết hình thành các chất ô nhiễm trong động cơ đốt trongLý thuyết ảnh hưởng của góc phun nhiên liệu va biên dạng buồng cháyđến đặc tính khí thải của động cơ

Lý thuyết về các mô hình hình thành hỗn hợp mô hình quá trình cháy,truyền nhiệt và mô hình hình thành các chất ô nhiễm độn g cơ đốttrong, áp dụng trong phần mềm AVL FIRE

Tham khảo các báo cáo khoa học đã được công bồ trong Hội nghị khoahọc, Tạp chí khoa học trong và ngoài nước, các dé tài khoa học cáccấp, luận văn cao học của các tác giả trong và ngoai nước

Phương pháp mô phỏng: Sử dụng phần mềm CFD-3D thương mạiAVL FIRE (Modul: AVL FIRE ESE DIESEL) để xây dựng mô hình vàthực hiện mô phỏng đánh giá đặc tính công suất và phát thải động cơVikyno RV165-2 dựa trên các phương án công nghệ đề xuất

1.4 Y nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài1.4.1 Y nghĩa khoa học

Đề tài là một hướng nghiên cứu về động cơ đốt trong nhờ công cụ mô phỏnghiện đại trên cơ sở lý thuyết tính toán động lực học lưu chất (CFD) Góp phần làm

cơ sở đê nghiên cứu phát triên các động cơ mới trong lĩnh vực nông nghiệp.

1.4.2 Y nghĩa thực tiễnTrên cơ sở kết quả kiểm chứng và một số giải pháp nâng cao hiệu quả quátrình cháy bằng phương pháp mô phỏng giúp Công ty TNHH Một Thành ViênĐộng Cơ và Máy Nông Nghiệp Miền Nam (SVEAM) đưa ra một số giải pháp kỹthuật công nghệ cải tiến quá trình cháy của động cơ RV165-2 nhằm nâng cao công

suât và giảm phát thải 6 nhiêm môi trường.

Chuong 2 CƠ SỞ LÝ THUYET2.1 Giới thiệu về qua trình cháy và hình thành khí thải trong động co diesel2.1.1 Quá trình cháy trong buồng cháy động co diesel

Bản chất quá trình cháy là quá trình oxy hóa nhiên liệu và tỏa nhiệt Quá trìnhcháy trong động co diesel là quá trình cháy khôngđ ông nhất, nhiên liệu được phunvào xylanh ở cuối chu kỳ nén, lúc nay không khí trong buông đốt đã bị nén tới ápsuất khoảng 3.88 + 6 MPa, nhiệt độ 700 + 900°K Do tính tự cháy của dau dieselcao, dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao nên quá trình cháy bắt đầu xay ra

¬»

ba⁄4

m—j„

:\

~~fhe) = “"

I

ao 1 0 20 @ (0 ste"

(T

Hình 2.1 Đồ thị triển khai quá trình cháy của động cơ diesel [4]

P— Đồ thị biến thiên cua áp suất trong xy lanhT Đô thị bién thiên của nhiệt độ trong xy lanhDựa vào sự biến thiên của áp suất và nhiệt độ trong xylanh có thé chia quátrình cháy trong động cơ diesel ra bốn giai đoạn [4]:

= Giai đoạn cháy trễ (I)Là giai đoạn chuẩn bị các trung tâm cháy đầu tiên, bắt đầu từ lúc phun nhiênliệu đến khi đường áp suất do cháy tách khỏi đường áp suất do nén, do chuyển động

xoáy lốc không khí trong lòng buồng cháy nên nhiên liệu bị xé nhỏ va hoà trộn đềuvới hỗn hợp khí Ở giai đoạn này, áp suất tăng rất chậm do:

- Mất nhiệt do quá trình bay hơi của nhiên liệu.- Các trung tâm cháy hình thành ở những nơi có hệ số dư lượng không khí (ơ= 0.8 + 0.9) thích hợp nhưng do tốc độ cháy nhỏ (khả năng hóa hơi nhiên liệuchậm) nên nhiệt độ và áp suất trong buông cháy tăng chậm

- Luong nhiên liệu ở giai đoạn nay chiếm khoảng 30 + 40 % lượng nhiên liệucung cấp cho toàn bộ chu trình

Giai đoạn cháy trễ sẽ ảnh hưởng toàn bộ tới quá trình cháy, thời gian cháy trễ nàyphụ thuộc vào các yếu tố: tính chất của nhiên liệu (tính tự cháy, số Xe), nhiệt độ vaáp suất nén trong buông cháy tại thời điểm phun nhiên liệu (nếu T, p lớn khả năngbay hơi và phản ứng diễn ra với tốc độ nhanh hon, rút ngăn thời gian cháy trễ,ngược lại thời gian sẽ lâu hon), độ tơi của nhiên liệu khi phun, chuyển động rỗi củakhông khí và ảnh hưởng của nhiệt độ buồng cháy

= Giai đoạn cháy nhanh (II)

Là giai đoạn phát triển các trung tâm bốc cháy và lan tràn màng lửa Giai đoạnnay bắt đầu khi đường áp suất do cháy tách khỏi đường áp suất do nén cho đến khiáp suất trong buồng đốt dat giá trị cực đại Ở giai đoạn này, hỗn hợp tự bốc cháytrong toàn bộ thé tích buồng cháy ở những điểm có thành phần hỗn hợp thích hợp a= 0,8 + 0,9 và lan tran mang lửa sang các vùng nhiên liệu đã bốc hoi va hoà trộn vớikhông khí làm tốc độ cháy bắt đầu tăng nhanh nên áp suất và nhiệt độ trong buôngđốt tăng nhanh, tốc độ toả nhiệt lớn (nhiệt lượng toả ra ở giai đoạn này chiém 30%

nhiệt lượng sinh ra trong toàn bộ quá trình cháy).

Ở giai đoạn nảy thì quá trình phun nhiên liệu kết thúc, đặc trưng của giai đoạnnày là tốc độ tăng áp suất trung bìnhAP/ Ao Tốc độ tăng áp suất trung bình phụ

thuộc vào:

- Quy luật phun nhiên liệu.

- — Giai đoạn cháy trễ, nếu thời gian cháy trễ càng dài thì áp suất trung bìnhAP/Ao dàng tăng (thường ở động co diesel, giá trị áp suất trung bình AP/A@ vàokhoảng 0.3 + 0.6 MPa) làm động co làm việc không êm dịu, tuy nhiên tốc độ tăng

của áp suất trung bình còn phụ thuộc vào thời gian phun và lưu lượng phun nhiên

liệu.=m Giai đoạn cháy chính (IID

Đặc trưng cho giai đoạn này là nhiệt độ cực đại.

Tính từ lúc áp suất trong buồng đốt đạt giá tri cực đại cho đến khi nhiệt độtrong buông đốt đạt giá trị cực đại Do sản phẩm cháy tăng nên nhiệt độ toả ra ở giaiđoạn nay là lớn nhất nhưng áp suất bên trong buông đốt giảm do tăng áp suất docháy không bù lại giảm áp suất do piston đi xuống Giai đoạn cháy chính chiếm từ40 + 50 % nhiên liệu, nhưng không thé tập trung phun nhiều nhiên liệu ở giai đoạnnay vi lúc nay nồng độ oxy giảm, sản phẩm cháy đã tăng làm quá tình cháy x ay ra

khó hơn, tăng giai đoạn cháy rớt." Giai đoạn cháy rot (IV)

Là giai đoạn cháy phan hỗn hợp còn sót lại, tính từ khi nhiệt độ trong buông đốtđạt giá trị cực đại cho đến khi kết thúc quá trình cháy Có thé xem tại thời điểm kếtthúc quá trình cháy ứng với hệ số toa nhiệt khoảng 95 + 97 % Nhiên liệu trong giaiđoạn cháy rớt chiếm khoảng 10 + 20 % Tốc độ cháy diễn ra rất chậm vì thiếu oxy,nhiều sản phẩm cháy, nhiệt độ và áp suất giảm Do đó, cần phải khống chế giaiđoạn cháy rớt càng nhiều càng tốt bằng các phương pháp như: tăng cường xoáy lốctrong buông đốt, rút ngăn thời gian cấp nhiên liệu hoặc không cung cấp nhiên liệuvào buông đốt ở giai đoạn cháy chính

2.1.2 Quá trình hình thành khí thai trong động co diesel

Đặc điểm của động cơ sử dụng nhiên liệu diesel là quá trình hòa trộn giữa khôngkhí và nhiên liệu được thực hiện ngay trong buông cháy động cơ Tham số đặctrưng cho sự hòa trộn này là hệ số dư lượng không khí ơ của động co diesel, nóđánh giá mức độ đậm nhạt của hỗn hợp Khí thải động cơ diesel phụ thuộc nhiềuvào hệ số dư lượng không khí a Các khí thải chủ yếu trong động cơ disesel có thékế đến như Oxide Nitơ (NO,), thành phần hạt muội than (PM); ngoài ra còn có

Hydrocarbon chưa cháy (HC), carbon monoxide (CO).

pA -4Cc

4 500

Q=

cd9)<<

—

0

Hình 2.2 Thành phan khí thải động cơ diesel theo hệ số dự lượng không khí

(Nguon: http://www.aecs.net/techniek2007/emisd2.htm)

Hệ số dư lượng không khí

2.1.2.1 Oxide Nitơ (NO,)NO, là tên gọi chung của Oxide nitơ gồm các chất NO (chiếm chủ yếu), NO; vàNaO hình thành do sự kết hợp giữa oxy và nito ở điều kiện nhiệt độ cao Quá trìnhhình thành NO, chủ yếu tập trung ở giai đoạn cháy nhanh (II) và giai đoạn cháy

chính (IID) thời điểm nhiệt độ trong buồng cháy bắt đầu tăng mạnh

a) Quá trình hình thành monoxyde nito (NO)

NO là hợp chất chiếm tỉ lệ cao nhất trong họ NOx Sự hình thành NO do quátrình oxy hóa nity trong không khí có thé được mô tả bởi co chế Zeldovich Trongđiều kiện hệ số dư lượng không khí a x 1, những phan ứng chính tạo thành và phân

Phản ứng (2.1) và (2.2) diễn ra mạnh trong khu vực màng lửa và trong vùngkhí đã cháy còn phản ứng (2.3) xảy ra khi hỗn hợp rất giàu NO tạo thành trongmang lửa và trong sản phẩm cháy phía sau màng lửa Trong động co, quá trình cháydiễn ra ở điều kiện áp suất cao, vùng phản ứng rất mỏng (khoảng 0.1mm) và thờigian cháy rất ngắn, thêm vào đó áp suất trong xilanh tăng trong quá trình cháy, điều

này làm nhiệt độ của bộ phận khí cháy trước cao hơn nhiệt độ đạt được ngay sau khira khỏi khu vực màng lửa nên đại bộ phận NO hình thành trong khu vực sau mànglửa:

Nạ + O, Ss 2NO (2.4)

Còn NO hình thành trong mang lửa có kha năng tạo ra những hợp chat còn lạicủa họ NOx Sự hình thành NO phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ, nhiệt độ càng caothì tốc độ tạo NO càng lớn Nông độ NO cũng phụ thuộc mạnh vào nông độ oxy.Do đó, trong điều kiện nhiệt độ cao và nồng độ oxy lớn thì néng độ NO trong sảnphẩm cháy sẽ lớn

b) Quá trình hình thành dioxyde nito (NO?)

Dioxyde nitơ (NO;) được hình thành từ monoxyde nito (NO) và các chất trung

gian của sản vật cháy theo phản ứng sau:

NO + HO; S NO; + OH (2.5)

Trong điều kiện nhiệt độ cao, NO; tạo thành có thể phân giải theo phản ứng:

NO, + O 5 NO + O, (2.6)

Trong trường hợp NO; sinh ra bi lam mat ngay bởi su vận động cua dòng khí có

nhiệt độ thấp trong buông cháy thì phan ứng (2.6) bị khống chế, nghĩa là NO; tiếptục tồn tại trong sản vật cháy Vì vậy khi động cơ làm việc kéo dài ở chế độ khôngtải hay ở chế độ tải thấp thì nồng độ NO; trong khí xả sẽ gia tăng do phản ứngngược biến đổi NO, thành NO bị khống chế bởi các vùng không khí có nhiệt độthấp Dioxyde nito ding hình thành trên du Ong xả khi tốc độ tải thấp và có sự hiện

diện của oxy.

©) Quá trình hình thành protoxyde nito (N;O)

Protoxyde nito (N;O) chủ yếu hình thành từ các chất trung gian NH và NCO

khi chúng tác dụng với NO theo phản ứng:

NH + NO S NO + H (2.7)

NCO + NO S NO + CO (2.8)

NaO chủ yếu được hình thành ở vùng oxy hóa có nồng độ nguyên tử H cao, mà

nguyên tử H lại tạo ra sự phân hủy mạnh protoxyde nito theo phan ứng:

quá trình cháy, dạng động cơ cũng như thời hạn sử dụng của động cơ.

Thanh phan hat muội than bao gồm các thành phan chính [3]- Carbon: Thanh phan nay phụ thuộc vào nhiệt độ cháy và hệ số dư lượng

không khí trung binhd ac biệt là khi động cơ hoạt động ở chế độ toàn tai

hoặc quá tai.

- Dau bôi trơn không cháy: Đối với các động cơ cũ thành phan này chiếm tỉ lệlớn Lượng dầu bôi trơn bị hao hụt và lượng muội than có liên quan đến

- Kim loại: Do mat kim loại ma sát trong động cơ hoặc các thành phan kimloại pha vào dau bôi trơn.

2.1.2.3 Carbon Monoxide (CO)CO sinh ra do quá trình cháy không hoàn toàn của hỗn hợp giàu hay do quátrình phân giải của sản phẩm cháy Nông độ CO phụ thuộc vào quá trình hình thànhhỗn hợp hay nói cách khác phụ thuộc vào hệ số du lượng không khí CO sinh ranhiều khi quá trình cháy diễn ra trong điều kiện hỗn hợp đậm (a <1) Trong động cơdiesel, quá trình cháy diễn ra trong điều kiện hỗn hợp nghèo với hệ số dư lượngkhông khí lớn (a > 1.2), tuy nhiên van có sự tồn tại của thành phần CO trong khíthải động cơ diesel (dù ít hơn nhiều so với động cơ xăng) Nguyên nhân là sự hòatrộn giữa không khí và nhiên liệu trong động cơ diễn ra trong thời gian ngắn, có sựphân bố không đồng đều của nhiên liệu trong buông cháy, một số khu vực cục bộquá trình cháy diễn ra trong điều kiện thiếu oxy làm sinh ra lượng CO trong khí thải

động cơ.

2.1.2.4 Hydrocarbon chưa cháy (HC)

Do nguyên lý làm việc của động co diesel, thời gian lưu lại của nhiên liệu trong

buông cháy ngắn hơn trong động cơ đánh lửa cưỡng bức nên thời gian dành choviệc hình thành sản phẩm cháy không hoàn toàn cũng rút ngăn làm giảm thành phần

HC cháy không hoàn toàn trong khí xả [3].

Khi tăng hệ số dư lượng không khí a, nhiệt độ cháy giảm nên lượng nhiên liệu

chưa cháy sẽ tăng, làm tăng lượng HC trong khí thải động cơ.

Quá trình cháy trongđ ộng cơ diesel diễn ra đồng thời sự bay hơi nhiên liệu vàhòa trộn nhiên liệu với không khí và sản phẩm cháy Khi độ đậm đặc trung bình củahỗn hợp quá lớn hay quá bé đều làm giảm khả năng tự cháy và lan tràn mảng lửa.Trong trường hợp đó nhiên liệu sẽ được tiêu thụ từng phan trong những phan ứngoxy hóa diễn ra chậm ở giai đoạn giãn nở sau khi hòa trộn thêm không khí

Có thể chia ra hai khu vực đối với bộ phận nhiên liệu được phun vào buông cháytrong giai đoạn cháy trễ: khu vực hỗn hợp quá nghèo do pha trộn với không khí quá

nhanh và khu vực hỗn hợn quá giàu do pha trộn với không khí quá chậm Trongtrường hop đó, chủ yếu là khu vực hỗn hợp quá nghèo diễn ra sự cháy không hoantoàn còn khu vực hỗn hợp quá giàu sẽ tiếp tục cháy khi hòa trộn thêm không khí.

Đối với bộ phận nhiên liệu phun sau giai đoạn cháy tré, sự oxy hóa nhiên liệuhay các sản phẩm phân hủy nhiệt diễn ra nhanh chóng khi chúng dịch chuyền trongkhối khí ở nhiệt độ cao Tuy nhiên sự hòa trộn không đồng đều có thé làm cho hỗnhợp quá giàu cục bộ dẫn đến sự làm mát đột ngột làm tắt mang lửa, sinh ra các sanphẩm cháy không hoàn toan trong khí xả

2.2 Cơ sở lý thuyết ảnh hưởng của thời điểm phun nhiên liệu đến sự hình

thành khí thải của động cơ

Quá trình cháy trongđ ộng cơ diesel là được tính từ thời điểm nhiên liệu thựctế được phun vao buông cháy Dé có thời gian cần thiết cho quá trình hình thành hỗnhợp nhiên liệu - không khí và chuẩn bị cho hỗn hợp bốc cháy, nhiên liệu được phunvào buồng cháy trước khi piston tới điểm chết trên (TDC) Góc quay của trục khuyutinh từ thời điểm phun nhiên liệu đến TDC được gọi là góc phun sớm (6, ) Trị số củagóc phun sớm Ø, thường xé dịch trong khoảng 10 + 40° và phụ thuộc vào đặc điểmcầu tạo và tốc độ quay của động cơ Toàn bộ quá trình phun nhiên liệu kéo dài khoảng

25~ 359 góc quay trục khuyu [5]

2.2.1 Ảnh hưởng đến đặc tính của động cơ

Quá trình cháy của động cơ (ở đây là động cơ diesel) trong buồng đốt sẽmãnh liệt nhất sau thời điểm phun nhiên liệu một chút (đó chính là góc phun sớm6, so với điểm chết trên của động co), do vậy nếu nhiên liệu phun sớm đúng lúc sẽ

tạo lực mạnh để đây piston đi xuống, thực hiện hành trình sinh công với áp lực khí

cháy tối đa Khi đó áp suất trong buông cháy động cơ sẽ tăng lên, trong Hình 2.3trình bày ảnh hưởng của thời điểm phun trên động cơ thương mại Với các đườngchỉ thị áp suất buông cháy tại bốn thời điểm phun khác nhau [7]

Crank angle ["CA]

Hình 2.3 Ap suất bên trong xilanh tai 4 thời điểm phun nhiên liệu khác nhau [6]

Thời điểm phun nhiên liệu vào buông cháy ảnh hưởng đến thời gian cháy trễcủa quá trình cháy trongđ ộng cơ đốt trong Khi nhiên liệu được phun vào quá sớmthì sẽ làm cho thời gian cháy trễ của hỗn hợp nhiên liệu kéo dài hơn Do khi nhiênliệu được phun vào sớm, trước khi piston lên đến điểm chết trên thì nhiệt độ và ápsuất bên trong buông cháy thấp, chưa đủ điền kiện dé làm cháy nhiên liệu diesel khiphun vào, nên sẽ làm tăng thời gian cháy trễ của quá trình cháy trong đ ộng cơ Bêncạnh đó, khi phun nhiên liệu vào sớm hơn, tức là trước thời điểm piston lên đếnđiểm chết trên, nhiên liệu được phun vào khi piston đang lên điểm chết trên thì sẽtạo xoáy lốc tốt hơn, nhiên liệu hoà trộn và được nén cùng lúc với không khí, thờigian ủ nhiệt tăng, và khi nhiên liệu bùng cháy sẽ tạo ra áp suất lớn hơn Do đó sẽ

làm tăng công suât và mô men của động co.[8]

Khi nhiên liệu phun vào buông cháy càng trễ, thời gian hình thành hỗ hợpkhí càng ngắn, vì khiđó không khí đư ợc nén lên đến một áp suất và nhiệt độ cao,nên nhiên liệu phun vào sẽ dễ cháy hơn, thời gian cháy trễ được rút ngăn lại, nênhỗn hợp cháy sẽ khuếch tán ra chậm hơn, làm áp suất trong buông cháy khi đó sẽthấp hơn so với trường hợp phun nhiên liệu vào sớm hơn Thêm vào đó, khi nhiênliệu phun vào cảng trễ, thì thời gian cháy kéo dài, hỗn hợp khí cháy chưa cháy hếtthì chu kì làm việc đã sang kì thải, hỗn hợp khí cháy chưa kịp giãn nỡ đã bị thải ra

ngoài, sẽ làm giảm đáng kế áp suất cháy trong buông cháy động cơ Day dng lànguyên nhân làm cho công suất động cơ giam.[8]

Tuy nhiên, ở trường hợp phun nhiên liệu vào quá sớm thì sẽ dễ gây hiệntượng cháy kích nỗ trong động cơ, v nhiên liệu phun vào quá sớm, hỗn hợp khíđược hình thành và cháy tu ớc khi piston lên đến điểm chết trên sẽ tạo lực tác dụngngược lại gây tiếng go hay còn gọi là hiện tượng kích nỗ trong động co diesel, sẽlàm cho động cơ vận hành không 6n định và làm giảm tuổi thọ của động cơ

2.2.2 Anh hưởng đến đặc tính phát thai của động cơ

Tăng góc phun sớm làm tăng thời gian cháy trễ của quá trình cháy dẫn tớilàm tăng áp suất cực đại và nhiệt độ quá trình cháy, khi nhiệt độ quá trình cháy tăngthì theo lý thuyết hình thành khí thải đã đư ợc đề cập ở mục trên, nồng độ NO, sẽtang, do đó việc giảm góc phun sớm có tác dụng giảm nông độ NO, trong khí xả.Nhưng, việc giảm góc phun sớm phải năm trong khoảng hợp lý để tránh sự gia tăngsuất tiêu hao nhiên liệu và khả năng công tác của động cơ Hơn nữa, khi tăng gócphun sớm, do quá trình cháy trễ kéo dài, lượng nhiên liệu hoà trộn trước với hệ sốdư lượng không khí œ gia tăng Hỗn hợp trở nên khó cháy, khi cháy sẽ cháy khônghoan toàn đồng thời sinh nhiều CO Trong khi đó, theo lý thuyết việc tăng góc phunsớm có thể làm giảm HC nhưng trong thực tế do việc tăng góc phun sớm làm thờigian cháy trễ kéo dài, nhiên liệu phun ra bám vào trên thành buông cháy, hình thànhnên nguồn sinh ra HC Bang 2.1 thé hiện rỏ sự ảnh hưởng của thời điểm phun nhiênliệu trễ đến việc tăng hay giảm thành phan khí thải trong động cơ Với dấu “-”làgiảm, còn “+” mang ý ngli gia tăng Ngoa i ra trong Bang 2.1 còn trình bảy một sốảnh hưởng từ việc thay đôi các thành phần khác (áp suất phun, số tia phun, hồi lưukhí thải) đến thành phan khí thải của động cơ diesel.[9]

Bảng 2.1 Các thông số ảnh hưởng đến khí thai động cơ [6]

Measure NOx HOCO Soot bsfc Noise

Retarded start of injection + - : +Exhaust gas receculaton + - - : -Cooled ER + ~ + + 0

Super changing - + + + 0Intercooling + - + + ũ

Pitot inction ũ ~ - 0 +

Added post-injection + 0 + - 0Injection pressure imcmease 0 + + + 0Lower compression r43o + - + 0 -

Symbols: +: reduction; —: increase; - no change

= 3 0.062 0.04

—*&— NO

1 ' 0.02

—@— Particles0 0.00

8 6 -4 2 0 2 4 6

Start of injection [°CA]

Hình 2.4 Ảnh hưởng của thời điểm phun nhiên liệu đến thành phan khí thai NO,

và mudi than trên động cơ thương mai tại toc độ 1,425 v/ph [6]

Hình 2.4 trình bày nồng độ của thành phần NO, và muội than theo từng thờiđiểm phun nhiên liệu đối với một động cơ thương mại tại tốc độ 1,425 vòng/phút.Kết quả thu được đúng với lý thuyết về sự thay đối thành phan hai loại khí thải trêntheo thời điểm phun nhiên liệu Theo lý thuyết, thời điểm phun nhiên liệu càng sớmthì lượng NO, trong khí thải càng nhiều, còn đối với muội than thì hoàn toàn ngu oclại Lượng muội than trong khí thải sé giảm khi tăng thời điểm phun nhiên liệu sớm

Start of injection [ CA]

Hình 2.5 Khí thai NO,, khói den và lượng tiêu hao nhiên liệu ứng với từng thoi

điểm phun nhiên liệu và áp suất phun [6]Đối với động cơ phun trực tiếp, sự giảm góc phun sớm làm tăng độ khói vàlàm tăng suất tiêu hao nhiên liệu nhưng lại làm giảm nồng độ NO, Các quan sátthực nghiệm cho thay hầu hết NO được hình thành trong khoảng 20° góc quay trụckhuyu sau TDC ké từ lúc cháy Do đó, khi giảm góc phun sớm, điểm bat đầu cháylùi gần TDC, điều kiện hình thành NO cũng trễ hon và nông độ của nó cũng giảmdo nhiệt độ buông cháy thấp hơn Thực tế, đối với động cơ diesel cỡ lớn, việc giảmgóc phun sớm có thé làm giảm đến 50% nồng độ NO trong phạm vi suất tiêu haonhiên liệu tăng không nhiều, có thé chấp nhận được Sự thay đối góc phun sớm phùhợp theo tốc độ và tải cho phép chọn được vị trí điều chỉnh tối ưu hài hoà giữa nồng

độ các chat gay ô nhiễm và hiệu suât của động cơ.

2.3 Cơ sở lý thuyết anh hưởng hình dạng buông cháy đến sự hình thành khí

thải của động cơ

Đặc điểm của động cơ diesel là quá trình hòa trộn giữa không khí và nhiênliệu được thực hiện ngay trong buông cháy của động cơ Do đó biên dạng củabuồng cháy có ảnh hưởng lớn đến chuyển động của dòng không khí bên trongbuông cháy, dẫn đến ảnh hưởng sự hình thành hỗn hợp không khí - nhiên liệu, độ

đồng déu của hỗn hợp không khí/nhiên liệu, ảnh hưởng đến thành phan phan khíthải trong động cơ, trực tiếp ở đây là biên dạng đỉnh piston.

Ảnh hưởng của biên dạng buồng cháy đến chuyển động của dòng khí bêntrong buồng cháy được thé hiện qua 2 thông số: swirl va squish

2.3.1 Swirl

Swirl được định nghĩa là sự chuyển động của dòng khí quanh trục của xylanh

động cơ (Hình 2.6).

Axis ofRotation

Hình 2.6 Swirl

Ảnh hưởng của swirl đối với quá trình hòa trộn không khí - nhiên liệu: Trongđộng cơ diesel, thời gian hòa trộn giữa không khí - nhiên liệu diễn ra trong thời gianrất ngăn Gia tang swirl trong động cơ sẽ làm day nhanh quá trình hòa trộn không

khí - nhiên liệu trong xylanh Qua đó, làm giảm lượng muội than sinh ra trong quátrình giãn nở, giảm tiêu hao nhiên liệu Tuy nhiên, tang swirl cũng làm tăng sự phan

bó đồng đều của nhiên liêu trong buông cháy, làm tăng nhiệt độ buồng cháy Sựtăng nhiệt độ này là điều kiện thuận lợi để tăng lượng NO, sinh qua do quá trình

cháy.2.3.2 Squish

Squish được định nghia là sự chuyển động xoáy của dòng khí nén trên mặtphăng chứa đường tâm xylanh động cơ (Hình 2.7) Dòng khí nén này xuất phát từ

khe hở giữa đỉnh piston và bề mặt nắp máy được dồn nén, chuyền động về phía tâmbuông cháy động cơ trong quá kỳ nén.

|

Hình 2.7 Squish

Tương tự như swirl, việc tăng squish làm thúc day quá trình hòa trộn nhanh chóng

giữa không khí và nhiên liệu trong xylanh động cơ Tăng squish làm tăng lượng

NO, sinh ra đồng thời làm giảm lượng CO, HC và muội than sinh ra do quá trình

cháy của động cơ.

2.3.3 Các thông số hình học co bản của buông cháy động cơ.Hình 2.8 thể hiện hình dạng cơ bản của buông cháy động cơ diesel, buồngcháy thống nhất phun nhiên liệu trực tiếp dạng Re-entrant Bowl (REB) [10] Các

thông số hình học có ảnh hưởng trực tiếp đến việc tạo ra hỗn hợp đồng nhất trong

buông cháy động cơ

Dm

Hình 2.8 Các thông số hình học cơ bản của buông cháy động cơ

Hình 2.9 Đường kính hong

Đường kính họng Dt được định nghĩa là khu vực có đường kính nhỏ nhất gầnmặt đỉnh piston (Hình 2.9) Tỉ số giữa đườnh kính họng và đường kính xylanh đượcgọi là % khu vực squish Giảm đường kính họng sẽ làm tăng chuyển động xoáy củadòng khí bên trong buông cháy động cơ

2.3.3.2 Đường kính cực đại (Maximum Bowl Diameter — Dm)

Dm

- —

iy CG,7 ⁄/

Hình 2.10 Đường kính cực đạiĐường kính cực đại được định nghĩa là đường kính lớn nhất Song song với

mặt đỉnh piston tại bất kỳ điểm nao trên mặt cắt của buông cháy (Hình 2.10).Đường kính cực đại là một trong các thông số quan trọng nhất đối voi lình dangbuông cháy Tăng đường kính cực đại sẽ làm giảm vận tốc swirl (swirl velocity) củadòng khí di chuyển bên trong buông cháy Đường kính cực dại cũng ảnh hưởng ratnhiều đến hiện tượng dính ướt của nhiên liệu trên vách buồng cháy qua đó anhhưởng đến độ khói trong khí thải động cơ diesel

Tổng thể tích của buông cháy ding như tỉ số nén của động cơ thay đổi rấtnhiều khi thay đôi đường kính cực đại Đây là một trong những thông số dau tiêncần thay đổi trong quá trình thiết kế mới buồng cháy động cơ

2.3.3.3 Độ sâu buông cháy (Bowl Depth — H)

Độ sâu buông cháy được định nglia là độ sâu lớn nhất tính từ mặt đỉnhpiston đến vị trí thấp nhất của phần hình xuyén trong buồng cháy (Hình 2.11) Độsâu buông cháy ảnh hưởng đến sự phân bố của nhiên liệu trong quá trình cháy trễ,qua đó ảnh hưởng đến độ khói của khí thải động cơ Buồng cháy có độ sâu lớn làmtăng hiện tượng dính ướt của tia phun lên phần bên dưới của buồng cháy

2.3.3.4 Bán kính vòng xuyến (Main Toroidial Radius — Ri)

Hình 2.12 Bán kính vòng xuyénPhần lớn quá trình cháy của động cơ diễn ra trong khu vực hình xuyén củabuông cháy Bán kính vòng xuyến (Hình 2.12) là một trong những thông số đầutiên cần thay đổi trong quá trình thiết kế mới buông cháy động cơ ph an hìnhxuyến này chiếm phân lớn thé tích buồng cháy Thể tích phần khí bên trong khu vựchình xuyén ảnh hưởng đến vận tốc squish của khối khí và quá trình lan truyền màn

lửa.

2.3.3.5 Bán kính phụ (Minor Radius — Ri)

yo

Việc thay đôi các bán kính phụ ảnh hưởng rat ít đến thé tích buồng cháy Tuynhiên, bán kính phụ (Hình 2.13) ảnh hưởng đến vận tốc squish, vận tốc rối củadòng khí trong buồng cháy Thay đối thông số kích thước của bán kính phụ, cầnđảm bảo tránh các điểm gây nóng, gây ứng suất nhiệt lên đỉnh piston.

2.3.3.6 Khu vực trung tam (Central pip - C)

Khu vực trung tâm được định nghĩa là phan thé tích buéng cháy nam ở trungtâm của đỉnh piston, noi có vận tốc dòng khí nhỏ (Hình 2.14) Thay đối thông sékích thước của khu vực trung tâm ít làm thay đôi thể tích buông cháy động cơ Tuynhiên, việc thiết kế khu vực trung tâm buông cháy thường gan liền với sự thay đổicủa bán kính vòng xuyến nhằm đảm bảo dòng khí trong buồng cháy được chuyểnđộng liên tục, tránh bị giảm vận tốc cục bộ, làm giảm khả năng hòa trộn của dòng

khí với nhiên liệu.

2.4 Nghiên cứu quá trình cháy dùng công cu tính toán mô phỏng số2.4.1 Lý thuyết về tính toán số động lực học lưu chất (CFD)

Cơ sở tính toán số là phương trình Navier-Stokes, đây là phương tình mô tađặc tính chuyển động của lưu chất

" là + oP aL (2.11)

i at k @x, Ox ` Ox, Ox

k i kếk

Ở đây:p: khối lượng riêng:

u: độ nhớt động lực hoc;

u;: tốc độ theo phương 1;

p: áp suất.Phương tình Navier-Stokes là phương tinh phi tuy én phức tạp, không thégiải được bằng phương pháp giải tích, trừ một số trường hợp đơn giản Để mô tảchuyển động của lưu chất (giải phương tình Navier -Stokes) chúng ta dùng cácphương pháp số Tùy vào mức độ xem xét của dòng chảy, chúng ta sử dụng cácphương pháp số khác nhau, cụ thể một số phương pháp được áp dụng để mô tảchuyền động là:

Phương trình thế cho lưu chất không nhớt, không xoáy;Phương trình Euler cho lưu chất không nhớt;

URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes): Phương pháp trung

bình Reynolds, trong phương pháp này các mô hình rối cần đưa vào.LES (Large Eddy Scale): Phương pháp này chỉ giải trực tiếp các rối lớn.Phương pháp LES cần lưới dày hơn lưới trong trường hợp của URANS,

nhưng thưa hơn trong trường hợp DNS.

DES (Detached Eddy Simulation): Kết hợp hai phương pháp URANS và

LES, phương pháp này đang được sử dụng trong lĩnh vực hàng không.

DNS (Direct Numerical Simulation): Phương pháp này giải trực tiếp phươngtrình Navier-Stokes mà không cần mô hình mô phỏng

Hiện nay, phương pháp URANS được su dụng rộng rãi trong Inh v uc côngnghiệp.

Đề tính toán chính xác dòng chảy rối, các mô hình hình dòng chảy rối thườngđược áp dụng bao gồm:

Mô hình Spalart - Allamaras

Mô hình k - £ : bao gồm mô hình k - £ chuẩn, mô hình k - € đơn giản hóa

theo nhóm (RNG) và mô hình k - £ thực nghiệm.

Mô hình k - œ: bao gồm mô hình k - œ chuẩn và mô hình k - œ chuyển theo

ứng suât kéo.

Mô hình ứng suất Reynolds (Reynolds Stress Models - RSM)

M6 hinh do nhot dong (Eddy Viscovity Models - EVM)

Trong các mô hình trên, mô hình k - £ chuẩn là mô hình dòng chảy rối đượcsử dụng rộng rãi nhất, đặc biệt đối với việc tính toán trong công nghiệp.

*) Mô hình k-e

Mô hình k - € chuẩn gồm 2 phương tỉnh vi phân chuyến động đối với 2 biếnsố là k (năng lượng động học dòng chảy rối) và £ (tốc độ khuếch tán) Đề thiết lậpđược 2 phương trình này, mô hình sử dụng 2 giả thiết quan trọng là dòng chảy hoàntoàn rối và bỏ qua tác động của độ nhớt phân tử

Năng lượng động học chảy rối k và tốc độ khuếch tán của dòng chảy € được

xác định bởi các phương trình:

ôk ôk ou ô Ok

Aru, Axjr.—1- 64+] vsv./6,a jos ii Ox, ° | "T be

- Xây dựng các phương trình tích phân điều khiến của dòng chảy cho tất cảcác phần tử (cells) thuộc mô hình tính toán

- Rời rạc hóa, bao gém việc thay thé các biến trong phương tinh tích phânđại diện cho các quá trình của dòng chảy như đối lưu, khuếch tán va nguồn kíchthích bang một loạt các xấp xỉ hữu han Tức là chuyên đổi các phương trình vi phânthành hệ các phương trình đại số

Giải các hệ phương trình đại số bằng phương pháp tương tác

2.4.2 Quá trình mô phỏng tính số toán động lực học lưu chat (CFD)Quá trình mô phỏng gồm 03 bước:

- Pre-processing: Xây dựng mô hinhd inh nghĩa các miên tính toán, chialưới, lựa chọn quá trình lý hóa cần mô phỏng, định nghĩa các thuộc tinh của chấtlỏng, xác định điều kiện biên chính xác

- Processing: Chạy chương trình theo các số liệu đã xác định.- Post-Processing: Trích xuất và hién thị kết quả tính toán dưới dạng đồ thị,bảng biểu hoặc dưới dạng hình ảnh 3 chiều

2.4.3 Mô phỏng quá trinh cháy bang phan mềm AVL FIRE2.4.3.1 Khái quát về phần mềm AVL FIRE

AVL FIRE là phần mềm của hãng AVL dùng? é giải quyết các vẫn dé trongđộng cơ đốt trong liên quan đến động lực học lưu chất (CFD) [11] Tính toán chínhxác những mô hình vậy lý dùngđ é mô phỏng va phân tích động cơ trong AVL

FIRE đã được thừa nhận rộng rãi ở nhiêu nơi trên thé giới.

AVL FIRE cho phép xây dựng các mô hình tính toán:

- Dong tia phun (caviatating flows) trong các lỗ vòi phun nhiên liệu;

- Qua trình xé nhỏ tia phun;

- Sy lan truyén tia phun;- Sw hình thành hỗn hop nhiên liệu và không khí;- Tinh chất của lớp màng nhiên liệu (wallfirm behavior);

- Đánh lửa;

- Sự lan truyền của ngọn lửa;- Su hình thành các chất độc hại trong khí thải động cơ;

- Cac quá trình động hóa học bên trọng bộ xử lý xúc tac;

- Qua trình sấy nóng các dòng nước làm mát.Ngoài ra, nhờ các giao diện trực tiếp, rõ ràng với mô hình chu trình nhiệt động1D và tự động kết nối với các phần mềm phan tử hữu han (FEM) thông dụng sẽđảm bảo việc tính toán các quá trình trao đ 6i chất và phân tích ứng suất nhiệt chính