Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật ô tô - máy kéo: Nghiên cứu ảnh hưởng thông số kim phun đến tính năng động cơ Diesel RV125-2 bằng phương pháp mô phỏng

Tổng quan về tình hình nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình phun nhiên liệu đến quá trình cháy và khí thải của động cơ diesel tại Việt Nam và trên Thế giới.. TÓM TẮT Luận văn này nghiên cứ

GIỚI THIỆU CHUNG

Nghiên cứu tổng quan trong và ngoài nước

Ô nhiễm không khí hiện đang là vấn đề cấp bách và nhận được nhiều sự quan tâm của toàn cầu trong những năm gần đây Có rất nhiều nguyên nhân gây ra ô nhiễm không khí như: Quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch, Các hoạt động sản xuất công nghiệp, Các hoạt động sinh hoạt hàng ngày, nhưng do phạm vi nghiên cứu có giới hạn nên luận văn này chỉ tập trung đi sâu vào nghiên cứu giải pháp cải thiện mức độ ô nhiễm không khí do khí thải động cơ diesel RV 125-2 gây ra Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu được thực hiện trên thế giới với mục tiêu cải thiện chất lượng của khí thải do động cơ diesel gây ra trên thế giới Tuy nhiên việc nghiên cứu vẫn chưa đi sâu vào phân tích đầy đủ đặc tính công suất của động cơ RV 125-2 cũng như chưa đáp ứng được nhu cầu thực tế ở Việt Nam

Một số nghiên cứu liên quan đến động cơ diesel RV125-2 đã được thực hiện trong những năm gần đây:

1 Nghiên cứu của GS.TSKH Bùi Văn Ga và nhóm cộng sự về “Hệ thống cung cấp Biogas cho động cơ Dual Biogas/Diesel” [02]

2 Nghiên cứu về “Tối ưu hóa quá trình cung cấp Biogas cho động cơ tĩnh tại sử dụng hai nhiên liệu Biogas và Diesel” của GS.TSKH Bùi Văn Ga [04]

3 “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu khí hóa lỏng (LPG) cho động cơ Diesel” của PGS.TS Đỗ Văn Dũng, Lê Thanh Phúc, Lê Việt Hùng [03]

4 Nghiên cứu của Dương Tấn Việt, Lê Duy Linh, Dương Việt Dũng về “Tính toán – mô phỏng quá trình tạo hỗn hợp trong hệ thống cung cấp Biogas cho động cơ RV125-2” [05]

5 Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng hồi lưu khí thải đến độ phát thải ô nhiễm của Nguyễn Minh Trí [24]

2 6 Nghiên cứu hình dạng buồng cháy để giảm thiểu khí thải trên động cơ diesel phun trực tiếp của TS.Huỳnh Thanh Công và Phan Thế Anh [01]

7 Nghiên cứu về ảnh hưởng thông số hình học buồng cháy đến công suất và phát thải của động cơ của Nguyễn Đắc Khánh Hưng [23]

8 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình phun nhiên liệu đến khả năng vận hành của động cơ diesel của Gideon Goldwine [20]

9 Nghiên cứu sự hình thành tia phun nhiên liệu đối với buồng đốt HCCI của Fredrik Wahlin [22].

Lý do chọn đề tài

Hình 1-1: Khí thải từ động cơ diesel được dùng trên máy kéo [37] Động cơ điesel được sử dụng rộng rãi và phổ biến ở mọi nơi trên thế giới, ta có thể dễ dàng tìm thấy động cơ diesel ở khắp nơi từ những động cơ khổng lồ được sử dụng trên tàu biển cho đến những động cơ loại nhỏ sử dụng làm máy phát điện; Từ những cánh đồng lúa bạt ngàn cho đến các trang trại nông nghiệp rộng lớn vì những

3 lợi ích mà chúng mang lại (lợi ích điển hình nhất của động cơ diesel so với động cơ xăng cùng thông số đó chính là công suất và tính kinh tế) Bên cạnh những lợi ích được nêu trên thì động cơ diesel cũng là một trong những nguyên nhân góp phần làm cho mức độ ô nhiễm ngày càng trở nên nghiêm trọng hơn Tuy nhiên, người sử dụng các động cơ diesel có trên các máy nông nghiệp và các động cơ tĩnh tại vẫn chưa thực sự quan tâm và chú trọng nhiều đến mức độ ô nhiễm khí thải do các động cơ này tạo ra

Vì vậy, việc nghiên cứu ảnh hưởng thông số kim phun đến tính năng động cơ diesel RV125-2 bằng phương pháp mô phỏng là cần thiết nhằm góp phần vào việc nâng cao công suất nhưng đồng thời giảm phát thải ô nhiễm môi trường do chúng gây ra Việc nghiên cứu này cũng góp phần trong việc thúc đẩy cải tiến chất lượng của các động cơ mang thương hiệu và nguồn gốc xuất xứ Việt Nam, nhằm tạo lợi thế cạnh tranh với các sản phẩm các nước trong khu vực và trên thế giới.

Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu

Mục tiêu của nghiên cứu này là nghiên cứu ảnh hưởng thông số hình học kim phun đến tính năng động cơ diesel VIKYNO RV 125-2 sử dụng phương pháp mô phỏng, nhằm tối ưu hóa góc phun của kim phun nhiên liệu bằng cách dựa vào kết quả nghiên cứu này đem so sánh với kết quả thực tế

1.3.2 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là động cơ diesel VIKYNO RV 125-2.

Nội dung và phạm vi nghiên cứu

Tìm hiểu tổng quan về: Động cơ diesel VIKYNO RV 125-2, kim phun và các thông số của kim phun

4 Nghiên cứu ảnh hưởng của góc phun nhiên liệu đến đặc tính cháy và khí thải động cơ RV 125-2

Tìm hiểu về phần mềm mô phỏng KIVA-3V, ứng dụng phần mềm vào việc nghiên cứu ảnh hưởng của góc phun đến đặc tính cháy và khí thải động cơ cụ thể

Phân tích kết quả đạt được, đánh giá và kết luận

Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số hình học của kim phun đến đặc tính động cơ diesel VIKYNO RV 125-2 sau khi thay đổi góc phun nhiên liệu của kim phun.

Phương pháp nghiên cứu

1.5.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thu thập tài liệu

Vận dụng lý thuyết về quá trình cháy trong động cơ diesel vào nội dung nghiên cứu

Thu thập, chọn lọc số liệu từ các tài liệu có liên quan tới việc ảnh hưởng của góc phun nhiên liệu của kim phun đến quá trình cháy động cơ diesel

Các tài liệu kỹ thuật liên quan đến động cơ diesel VIKYNO RV 125-2

1.5.2 Phương pháp thống kê, phân tích và tổng hợp

Phương pháp này được sử dụng chủ yếu trong toàn bộ nội dung của nghiên cứu này bao gồm: thống kê, phân tích và tổng hợp từ các nguồn tài liệu thu thập được

1.5.3 Phương pháp tính toán lý thuyết và mô phỏng

Sử dụng phần mềm mô phỏng KIVA-3V và các lý thuyết có liên quan để tính toán và mô phỏng nhằm đánh giá và tìm ra kết quả tối ưu nhất

5 So sánh giữa kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm

Phỏng vấn, đưa ý kiến đến các chuyên gia (chuyên gia kỹ thuật, cán bộ hướng dẫn,…) để thu thập các ý kiến và các phân tích.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1.6.1 Ý nghĩa khoa học: Đề tài nghiên cứu góp phần phân tích, đánh giá quá trình cháy và phát thải trên động cơ diesel VIKYNO RV125-2; So sánh, đánh giá kết quả mô phỏng, góp phần tìm ra giải pháp nâng cao đặc tính công suất và giảm phát thải ô nhiễm môi trường đối với động cơ diesel VIKYNO RV125-2

Làm cơ sở cho khả năng ứng dụng thực tế việc tối ưu hóa góc phun nhiên liệu của kim phun nhằm nâng cao công suất và giảm phát thải ô nhiễm môi trường trên động cơ diesel VIKYNO RV125-2 thông qua việc đề xuất, cải tiến góc phun nhiên liệu của kim phun trên động cơ diesel VIKYNO RV125-2 hiện hữu

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Buồng cháy

2.1.1 Các dạng buồng cháy trên động cơ diesel phun trực tiếp

Buồng cháy động cơ diesel là nơi hòa khí được hình thành và bốc cháy, có ảnh hưởng lớn tới các thông số về đặc tính của động cơ: Công suất, hiệu suất, độ tin cậy của động cơ cũng như ô nhiễm môi trường của khí thải

Buồng cháy động cơ diesel phun trực tiếp được phân loại theo đặc điểm cấu tạo và theo nguyên tắc hình thành hòa khí [7]

Dựa theo đặc điểm cấu tạo, các dạng buồng cháy bao gồm:

- Buồng cháy thống nhất: Dạng đĩa nông, dạng ω nông,…

- Buồng cháy khoét lõm sâu đỉnh piston: Dạng cầu, dạng ω, dạng lõm sâu,…

Hình 2-1: Hình dạng các buồng cháy cơ bản [7]

Dựa theo nguyên tắc hình thành hòa khí, các dạng hình thành hòa khí bao gồm:

7 - Hình thành hòa khí kiểu màng dựa trên kết quả phối hợp giữa dòng chảy xoáy lốc của môi chất với màng nhiên liệu được tráng trên thành buồng cháy (quá trình M)

- Hình thành hòa khí kiểu không gian là phương pháp phun tơi nhiên liệu vào không gian buồng cháy để các hạt nhiên liệu được sấy nóng, bay hơi và hòa trộn đều với không khí

2.1.2 Các thông số hình học của buồng cháy

Hình dạng, kích thước, đường kính miệng của phần khoét lõm như hình (2-2) có tác dụng lớn tới cường độ dòng xoáy hướng kính, qua đó cải thiện điều kiện hình thành hòa khí và điều kiện cháy Cường độ dòng xoáy hướng kính tỉ lệ thuận với (D1/D3) (D1 – đường kính xy-lanh, D3 – đường kính miệng phần khoét lõm) D3 càng nhỏ dòng xoáy càng mạnh nhưng sẽ làm chiều sâu H của phần khoét lõm càng lớn Thông thường, D3 = (0.35 ÷ 0.65) D1 D3/H = 2:1 ÷ 4:1 [9]

Hình 2-2: Các thông số hình học của buồng cháy [9]

D1,D2,D3: Đường kính xy lanh, đường kính buồng cháy, miệng buồng cháy R1,R2,R3: Bán kính cong biên dạng buồng cháy

8 RS1, Rs2: Các thông số điều chỉnh Ở tải lớn, ứng suất nhiệt tại miệng phần khoét lõm (R3) thường lớn, muốn giảm ứng suất nhiệt kể trên cần phải làm cho vách phần khoét lõm thẳng đứng Theo các nhà sản xuất (ví dụ: Ricardo,…) thì chỉ cần kết hợp tốt giữa đặc tính tia phun, dòng xoáy khí nạp với hình dạng buồng cháy, còn hình dạng đáy phần khoét lõm không gây ảnh hưởng gì tới tính năng của động cơ Vì vậy, khi thay đổi hình dạng buồng cháy để đánh giá tác động của các thông số hình học đến công suất và khí thải, tác giả Lê Đắc Khánh Hưng chỉ thay đổi các thông số hình học cơ bản có ảnh hưởng trực tiếp như hình (2-3) bên dưới [8]

Hình 2-3: Các thông số hình học cơ bản của buồng cháy [8]

2.1.3 Ảnh hưởng của hình dạng buồng cháy đến đặc tính động cơ

2.1.3.1 Ảnh hưởng của hình dạng buồng cháy đến sự hình thành hòa khí, sự cháy và các chất gây ô nhiễm [23]

Dạng buồng cháy thống nhất

Buồng cháy thống nhất dạng đĩa nông, dạng ω nông,…hình thành hòa khí trong buồng cháy được được dựa trên hai yếu tố cơ bản: Đảm bảo chất lượng phun đều và nhỏ của tia nhiên liệu, kết hợp hình dạng các tia nhiên liệu với hình dạng buồng cháy tạo ra hòa khí phân bố đều trong không gian buồng cháy

9 Xét về mặt tế vi: Sự ma sát giữa tia nhiên liệu và môi chất trong môi trường phun đã gây ra trao đổi động lượng, xé nhỏ các hạt nhiên liệu và tăng tốc cho dòng khí, không khí chuyển động theo chiều mũi tên bị cuốn vào tia nhiên liệu Nếu tồn tại chuyển động xoáy trong buồng cháy, dòng khí sẽ từ phía sườn của các tia bị cuốn vào, thổi ngang các tia nhiên liệu tạo ra hòa khí

Với cường độ thích hợp của dòng xoáy có thể bổ khuyết một phần về sự bất cập của chất lượng phun làm tăng tốc độ hình thành hòa khí Nhưng nếu cường độ dòng xoáy quá lớn có thể gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng cháy của hòa khí Như vậy, cường độ xoáy trong buồng cháy thống nhất có một giá trị tối ưu Nói chung dòng xoáy trong buồng cháy thống nhất tương đối yếu Đường kính xy-lanh càng lớn, dòng xoáy càng yếu Cường độ xoáy của dòng khí nạp cũng gây ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ

Buồng cháy thống nhất không có dòng xoáy mạnh của không khí, tỉ số Flm/Vc (Flm – diện tích thành buồng cháy; Vc – thể tích buồng cháy) rất nhỏ nên tổn thất nhiệt ít, hiệu suất cao, ứng suất nhiệt của nắp xy-lanh và đỉnh piston nhỏ, dễ khởi động lạnh Động cơ diesel không tăng áp, dùng buồng cháy thống nhất thường chạy không êm vì áp suất cực đại và tốc độ tăng áp suất khi cháy tương đối lớn

Dạng buồng cháy khoét sâu trên đỉnh piston

Loại buồng cháy này thường tạo được dòng xoáy tiếp tuyến của khí nạp và dòng xoáy hướng kính của khí chèn khi nén, kết hợp với kim phun nhiên liệu nhiều lỗ nên dễ tạo ra hòa khí tốt Khi có dòng xoáy không khí từ sườn tia thổi phần nhiên liệu đã bay hơi ra ngoài khiến những hạt nhiên liệu còn lại trong tia nhiên liệu dễ bay hơi, tăng tốc độ hình thành hòa khí, mặt khác còn sử dụng không khí trong không gian giữa các tia tham gia hòa trộn ngay khi nhiên liệu chưa cháy Những phần hòa khí đã cháy do giãn nở nên mật độ giảm, còn phần hòa khí chưa cháy nên mật độ lớn, dưới tác dụng của dòng xoáy tạo ra các lực ly tâm khác nhau: Phần hòa khí chưa cháy theo quỹ đạo xoắn ốc mở ra ngoài, còn phần đã cháy chạy theo quỹ đạo xoắn ốc cụp vào trong, mở rộng phần hỗn hợp nóng nhờ đó đã làm tăng tốc độ hình thành hòa khí và

10 tốc độ cháy Nếu cường độ dòng xoáy quá lớn, không những làm các tia phun can thiệp lẫn nhau mà còn làm giảm độ xuyên sâu của tia phun nên hòa khí chỉ bốc cháy ở khu vực trung tâm của buồng cháy Ở dạng buồng cháy này, cường độ dòng xoáy hợp lí sẽ có lợi cho chất lượng hòa khí cũng như chất lượng cháy

Dạng buồng cháy khoét sâu trên đỉnh piston hình cầu (quá trình M)

Mặc dù cùng là dạng buồng cháy khoét sâu trên đỉnh piston, tuy nhiên việc hình thành hòa khí cũng như quá trình cháy không giống các loại buồng cháy khoét sâu trên đỉnh piston thông thường Điểm quan trọng nhất của quá trình M là dùng kim phun có một hoặc hai lỗ phun, nhiên liệu được phun thuận chiều dòng xoáy và tiếp tuyến với thành buồng cháy

Nhờ tác dụng của dòng xoáy mạnh, nhiên liệu được tráng đều trên thành buồng cháy tạo ra màng mỏng Nhiệt độ thành buồng cháy được giữ nhất định, điều khiển tốc độ bay hơi nhiên liệu Dưới tác dụng của dòng khí lướt qua bề mặt màng, tầng tầng lớp lớp hơi nhiên liệu cuốn theo dòng khí tạo ra hòa khí Một phần nhiên liệu được phun vào không gian, hình thành hòa khí trong không gian, có nhiệt độ cao với thành phần hòa khí thích hợp sẽ tự bốc cháy trước tạo nên nguồn lửa châm cháy số hòa khí được hình thành từ màng nhiên liệu Trong khi cháy nhiệt độ môi chất tăng dần càng làm tăng tốc độ bay hơi của nhiên liệu và tốc độ hình thành hòa khí Nhờ tác dụng của hiện tượng hòa khí nóng, phần hòa khí đã cháy đi vào tâm buồng cháy, còn không khí thì từ tâm buồng cháy dần dần đi ra phía thành làm tăng tốc độ hình thành hòa khí Ở dạng buồng cháy này, một ít nhiên liệu được hình thành hòa khí theo kiểu không gian tự bốc cháy, sau đó châm cháy số hòa khí hình thành từ màng Do số hòa khí được chuẩn bị trong thời kì cháy trễ tương đối ít nên động cơ chạy êm, không có hiện tượng kích nổ do tính tự cháy kém của nhiên liệu làm tăng thời gian cháy trễ gây ra Do phần lớn nhiên liệu được bay hơi từ màng, không có hiện tượng nhiên liệu

11 bị phân giải ở nhiệt độ cao do thiếu oxi nên giảm hàm lượng muội than trong khí thải

2.1.3.2 Ảnh hưởng của hình dạng buồng cháy đến kết cấu kim phun nhiên liệu

Dạng buồng cháy thống nhất Ở dạng buồng cháy này, do việc hình thành hòa khí chủ yếu dựa vào chất lượng phun và sự phối hợp giữa hình dạng các tia nhiên liệu với hình dạng buồng cháy nên muốn tạo được hòa khí đạt chất lượng tốt phải đảm bảo chất lượng phun

Dùng kim phun nhiều lỗ đảm bảo cho các tia nhiên liệu được phân bố khắp không gian buồng cháy Số lỗ phun từ 4 đến 12 lỗ, phần lớn là 10 lỗ tùy thuộc vào cường độ chuyển động của dòng xoáy trong buồng cháy Nếu nhiều lỗ phun quá sẽ gây hiện tượng can thiệp giữa các tia phun, ảnh hưởng tới quá trình cháy Nếu tồn tại dòng xoáy trong buồng cháy có thể giảm bớt số lỗ phun Áp suất phun phải lớn, áp suất bắt đầu nâng kim phun từ 20 ÷ 40 Mpa, áp suất phun cực đại có thể tới 100 MPa

Kim phun diesel

Kết cấu chung của một kim phun thường bao gồm 3 phần chính: Thân, đầu và khớp nối

Hình 2-4: Cấu tạo cơ bản của kim phun thông thường [36]

1 Đầu kim phun; 2 Đai ốc của đầu kim phun; 3,5 Chốt định vị; 4 Tấm đệm; 6

Cần nén kim phun; 7 Thân; 8 Vành khít; 9 Ống nối; 10 Lưới lọc; 11 Bạc lót; 12

Vòng điều chỉnh; 13 Lò xo; 14 Ống dẫn nhiên liệu;15 Kim; 16 Buồng hình vành khăn

Việc sử dụng kim phun chủ yếu được quyết định bởi quá trình cháy và hình dạng buồng cháy Kim phun nhiều lỗ tia thông thường được sử dụng cho động cơ phun trực tiếp, trong khi kim phun loại tiết lưu được sử dụng cho động cơ kiểu buồng cháy trước và buồng cháy xoáy lốc

2.2.2.1 Kim phun loại tiết lưu (Dùng cho động cơ diesel phun gián tiếp)

Do hình dạng đặc biệt của kim phun loại này, chỉ một lượng nhỏ nhiên liệu được phun vào buồng cháy trước ở thời điểm ban đầu của quá trình phun nhưng lượng nhiên liệu tăng ở gần cuối quá trình phun Đối với kim phun loại tiết lưu thì do phần lớn quá trình cháy có ích xảy ra nên tránh được tiếng gõ động cơ và giảm được mức tiêu hao nhiên liệu [27]

Hình 2-5: Kim phun loại tiết lưu [27]

1 Lọc; 2 Thân kim phun; 3 Long đền điều chỉnh; 4 Lò xo kim phun; 5 Thanh đẩy; 6 Nút chặn; 7 Đế giữ van kim; 8 Van kim; 9 Seal làm kín; 10 Miếng đệm

2.2.2.2 Kim phun loại lỗ (Dùng cho động cơ diesel phun trực tiếp)

Kim phun loại nhiều lỗ tia

Kim phun loai nhiều lỗ tia có thể xé tơi nhiên liệu theo 3 hướng và hòa trộn tốt với không khí nhằm tạo ra hỗn hợp cháy phù hợp cho quá trình cháy [27]

Hình 2-6: Kim phun nhiều lỗ tia [27]

1 Đường dẫn nhiên liệu; 2 Đệm làm kín; 3 Thanh đẩy; 4 Van kim; 5 Thân van kim; 6 Miếng đệm; 7 Đầu nối; 8 Vít điều chỉnh; 9 Lò xo kim phun; 10 Thân kim phun

Kim phun loại có hình dạng bút chì

Kim phun loại có hình dạng bút chì được sử dụng cho các loại động cơ phun trực tiếp Khi nhiên liệu chưa tới được kim phun thì van kim đóng kín hoàn toàn Khi nhiên liệu được đưa tới kim phun thì áp lực nâng của van kim sẽ tăng dần Khi áp lực của đường nhiên liệu tới đạt tới giá trị nâng tối đa của lò xo kim phun thì van kim bắt đầu được nâng lên và nhiên liệu được phun ra khỏi các lỗ tia của kim phun (0.25 mm) [27]

Hình 2-7: Kim phun có hình dạng bút chì [27]

1 Nắp kim phun; 2 Vít điều chỉnh áp lực; 3 Vít điều chỉnh nâng van kim; 4 Lò xo áp lực; 5 Dẫn hướng van; 6 Seal làm kín bụi; 7 Van kim; 8 Thân van kim; 9 Seal giảm chấn Carbon; 10 Đầu kim phun

Kim phun loại 2 lò xo

Kim phun loại 2 lò xo được sử dụng trong một số động cơ diesel nhằm cải thiện độ ổn định của kim phun ở tốc độ thấp và tốc độ trung bình

Khi áp lực nhiên liệu của kim phun đạt tới áp suất phun thì van kim nâng lên 1 đoạn A và kim phun bắt đầu phun

Khi áp lực nhiên liệu của kim phun tiếp tục tăng thì van kim tiếp tục nâng lên 1 đoạn B và kim phun đạt tới trạng thái phun hoàn toàn [27]

Hình 2-8: Kim phun loại 2 lò xo [27]

1 Lò xo số 2; 2 Thanh đẩy số 2; 3 Shim điều chỉnh mở van toàn phần; 4 Vít điều chỉnh; 5 Shim điều chỉnh mở van một phần; 6 Lò xo số 1; 7 Thanh đẩy số 1; 8

Van kim; A Van kim nâng một phần; B.Van kim nâng toàn phần

Hình 2-9: Kim phun 2 giai đoạn [27]

1 Thân kim phun; 2 Shim điều chỉnh áp lực phun giai đoạn 1; 3 Lò xo số 1; 4 Đế van kim; 5 Đế đỡ lò xo; 6 Shim điều chỉnh áp lực phun giai đoạn 2; 7 Lò xo giai đoạn 2; 8 Đế đỡ lò xo điều chỉnh lực nâng giai đoạn 1; 9 Miếng cách; 10 Long đền điều chỉnh lực nâng tối đa; 11 Đai ốc giữ; 12 Đầu kim phun

18 Ở một vài động cơ diesel hiện nay, người ta sử dụng kim phun 2 giai đoạn, loại kim phun này sẽ phun nhiên liệu nhiều hơn ở giai đoạn thứ 2 khi áp suất nhiên liệu tăng

Việc sử dụng kim phun 2 giai đoạn sẽ cho phép giảm áp suất nâng kim phun do đó cải thiện được tính ổn định phun ở tốc độ thấp cũng như cải thiện được khả năng không tải Mặt khác, do lượng nhiên liệu phun ban đầu ít nên cũng giảm được tiếng gõ máy và cải thiện tính êm dịu của chuyển động

2.2.3 Các tính chất đặc trưng cho quá trình phun nhiên liệu trong động cơ diesel

Nhiên liệu được phun vào buồng đốt nhờ sự chênh lệch áp suất giữa trước và sau lỗ phun Áp suất xy lanh tại thời điểm nhiên liệu phun vào có giá trị trong dãy từ 50 đến 100 atm Áp suất nhiên liệu dao động từ 200 đến 1700 atm phụ thuộc vào kích cỡ động cơ và hình dạng buồng cháy sử dụng Sự chênh lệch áp suất giữa trước và sau lỗ phun phải đủ cao để đảm bảo nhiên liệu xé thành những dạng hạt nhỏ, tạo điều kiện cho việc bay hơi và xuyên thâu trong buồng cháy với thời gian ngắn, tạo điều kiện sử dụng hết hoàn toàn lượng không khí nạp

Nếu biết trước áp suất nhiên liệu trước lỗ phun, dòng chảy qua các lỗ phun là ổn định, không chịu nén và một chiều thì lưu lượng nhiên liệu qua khỏi lỗ phun là: f D n 2 f m  C A   p   2 1

Trong đó An là tiết điện nhỏ nhất của lỗ phun, CD là hệ số lưu lượng, f là khối lượng riêng của nhiên liệu, p là hiệu số áp suất trước và sau lỗ phun

Nếu p và An không đổi suốt thời gian phun, khối lượng nhiên liệu phun là:

Trong đó  là thời gian phun tính theo góc quay trục khuỷu còn N là tốc độ động cơ

Hai phương trình trên cho thấy sự phụ thuộc giữa lượng nhiên liệu cung cấp và các thông số của hệ thống phun cũng như chế độ vận hành của động cơ

2.2.3.2 Cấu trúc tia nhiên liệu

Hình 2-10: Sơ đồ tia phun nhiên liệu trong động cơ Diesel [28]

Hình (2-10) giới thiệu hình dạng của tia nhiên liệu Sau khi ra khỏi kim phun, tia nhiên liệu chuyển sang chế độ vận động rối và bề rộng của tia tăng dần theo khoảng cách đến lỗ phun do không khí chung quanh bị kéo theo tia Tốc độ ban đầu của tia nhiên liệu có thể lớn hơn 100m/s Ở mặt ngoài của tia, nhiên liệu lỏng được xé nhỏ thành các hạt có đường kính khoảng 10m khi ở gần miệng lỗ phun Nhiên liệu lỏng

20 thoát ra khỏi lỗ phun tập trung trong một lõi hình trụ trước khi bị xé thành những hạt có đường kính khác nhau khi chiều dài tia lớn hơn một giá trị nhất định Càng xa lỗ phun, khối lượng không khí trong tia càng gia tăng, tốc độ tia càng giảm và đường kính tia càng lớn

Khí thải và các biện pháp kỹ thuật giảm mức độ ô nhiễm trong khí thải động cơ diesel

2.3.1 Khí thải 2.3.1.1 Các chất khí gây ra hiệu ứng nhà kính

Khí nhà kính là những khí có khả năng hấp thụ các bức xạ sóng dài (sóng dài), chủ yếu bao gồm: hơi nước, carbon dioxide, methane, ozone,

37 Tỉ lệ phần trăm các khí chủ yếu gây ra hiệu ứng nhà kính có thể liệt kê theo bảng sau:

Hơi nước Carbon dioxide Methane Ozone

Bảng 1-1: Tỉ lệ phần trăm các khí chủ yếu gây ra hiệu ứng nhà kính 2.3.1.2 CO

CO : Monoxyde carbon là sản phẩm khí không màu, không mùi, không vị, sinh ra do ô xy hóa không hoàn toàn carbon trong nhiên liệu trong điều kiện thiếu oxygène CO ngăn cản sự dịch chuyển của hồng cầu trong máu làm cho các bộ phận của cơ thể bị thiếu oxygène Nạn nhân bị tử vong khi 70% số hồng cầu bị khống chế (khi nồng độ CO trong không khí lớn hơn 1000ppm) Ở nồng độ thấp hơn, CO cũng có thể gây nguy hiểm lâu dài đối với con người: khi 20% hồng cầu bị khống chế, nạn nhân bị nhức đầu, chóng mặt, buồn nôn và khi tỉ số này lên đến 50%, não bộ con người bắt đầu bị ảnh hưởng mạnh

NOx là họ các oxyde nitơ, trong đó NO chiếm đại bộ phận NOx được hình thành do N2 tác dụng với O2 ở điều kiện nhiệt độ cao (vượt quá 1100°C) Monoxyde nitơ (x = 1) không nguy hiểm mấy, nhưng nó là cơ sở để tạo ra dioxyde nitơ (x = 2) NO2 là chất khí màu hơi hồng, có mùi, khứu giác có thể phát hiện khi nồng độ của nó trong không khí đạt khoảng 0,12ppm NO2 là chất khó hòa tan, do đó nó có thể theo đường hô hấp đi sâu vào phổi gây viêm và làm hủy hoại các tế bào của cơ quan hô hấp Nạn nhân bị mất ngủ, ho, khó thở Protoxyde nitơ N2O là chất cơ sở tạo ra ozone ở hạ tầng khí quyển

38 Hydrocarbure (HC) có mặt trong khí thải do quá trình cháy không hoàn toàn khi hỗn hợp giàu, hoặc do hiện tượng cháy không bình thường Chúng gây tác hại đến sức khỏe con người chủ yếu là do các hydrocarbure thơm Từ lâu người ta đã xác định được vai trò của benzen trong căn bệnh ung thư máu (leucémie) khi nồng độ của nó lớn hơn 40ppm hoặc gây rối loạn hệ thần kinh khi nồng độ lớn hơn 1g/m3, đôi khi nó là nguyên nhân gây các bệnh về gan

Bồ hóng là chất ô nhiễm đặc biệt quan trọng trong khí xả động cơ Diesel Nó tồn tại dưới dạng những hạt rắn có đường kính trung bình khoảng 0,3mm nên rất dễ xâm nhập sâu vào phổi Sự nguy hiểm của bồ hóng, ngoài việc gây trở ngại cho cơ quan hô hấp như bất kì một tạp chất cơ học nào khác có mặt trong không khí, nó còn là nguyên nhân gây ra bệnh ung thư do các hydrocarbure thơm mạch vòng (HAP) hấp thụ trên bề mặt của chúng trong qua trình hình thành

Cấu trúc hạt bồ hóng:

Hình 2-24: Cấu trúc chuỗi bồ hóng [6]

Hình 2-25: Dạng những hạt sơ cấp [6]

Hình (2-24) và hình (2-25) trình bày ảnh chụp khuếch đại của chuỗi và hạt sơ cấp tạo thành hạt bồ hóng trong khí xả động cơ diesel Một cách tổng quát có thể nói hạt bồ hóng mà người ta thường gọi hình thành do sự liên kết của nhiều hạt sơ cấp hình cầu thành từng khối hoặc chuỗi Một hạt bồ hóng có thể chứa đến 4000 hạt hình cầu sơ cấp, các hạt sơ cấp này có đường kính từ 10 đến 80nm và đại bộ phận hạt nằm trong khoảng 15-30 nm Đường kính trung bình của các hạt bồ hóng nằm trong khoảng 100-150 nm, có khi lên đến 500-1000 nm

Hình 2-26: Mô hình cấu trúc dạng hạt [6]

Hình 2-27: Cấu trúc tinh thể graphit [6]

Cấu trúc tinh thể của hạt bồ hóng trong khí xả động cơ diesel có dạng tương tự như graphit (hình 2-26 và 2-27) nhưng ít đều đặn hơn Mỗi hạt sơ cấp hình cầu là một tập hợp khoảng 1000 mầm tinh thể, có dạng phiến mỏng, được xếp đồng tâm quanh tâm của mỗi hạt cầu, tương tự như cấu trúc hạt cacbon đen Những nguyên tử cacbon kết nối với nhau theo các phiến lục giác phẳng, cách nhau 0,34-0,36nm (cao hơn một chút so với graphit: 0,33nm) các phiến này kết hợp với nhau tạo thành mầm tinh thể (từ 2-5 phiến) với cấu trúc giống như cacbon đen Những mầm tinh thể này lại sắp xếp theo các hướng song song với mặt hạt cầu với kết cấu siêu tĩnh để tạo thành các hạt

2.3.2 Ô nhiễm không khí và ảnh hưởng của chúng đến sức khỏe

Mưa axít là hiện tượng mà nước mưa có độ pH thấp < 5.6 Đây là hậu quả của quá trình phát triển sản xuất do con người sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch như: than đá, dầu mỏ, các nguồn nhiên liệu khác

Quá trình cháy sản sinh ra các khí độc hại như: SO2 và NO2 Các khí này hòa tan với hơi nước trong không khí tạo thành các H2SO4 và HNO3 Khi trời mưa các hạt

41 axít này hòa tan vào nước mưa và làm cho độ pH của nước mưa giảm Trong trường hợp nước mưa có độ pH < 5.6 thì ta gọi là mưa axít

Do có độ chua khá lớn nên nước mưa có thể hòa tan được một số bụi kim loại và ô xít kim loại có trong không khí làm cho nước mưa trở nên độc hơn đối với cây cối, vật nuôi và con người

Sương mù quang hóa là một thuật ngữ sử dụng để miêu tả một dạng ô nhiễm không khí xảy ra ở tầng đối lưu của khí quyển, sinh ra do ánh sáng mặt trời tác dụng lên khí thải động cơ, khí thải công nghiệp tạo nên những hợp chất có hại cho sức khỏe con người như ozone, aldehit,

Khi ở tầng bình lưu ozone bảo vệ trái đất khỏi các tia cực tím nhưng khi ozone ở gần mặt đất với nồng độ cao thì nó sẽ giết chết các mô thực vật, làm cho cây dễ bị tổn thương, làm hại đến các quần xã sinh học, giảm năng suất nông nghiệp và gây nguy hiểm cho con người Ozone ở gần mặt đất được hình thành khi các động cơ ô tô phát thải khí nitrogen oxides và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (từ sơn, các dung môi, các chất đốt dễ bay hơi) tương tác với nhau dưới tác động của ánh sáng mặt trời

Khi có hiện tượng sương mù quang hóa, tầm nhìn của chúng ta sẽ bị giảm đi Đặc biệt nó gây nên những tác động có hại đối với sức khỏe con người như các bệnh về đường hô hấp, giảm chức năng hoạt động của phổi, gây chết tế bào mô và gây ung thư Sương mù quang hóa còn gây hại cho cây trồng và làm hao mòn nhiều loại nhiên liệu

2.3.3 Các biện pháp kỹ thuật giảm mức độ ô nhiễm trên động cơ diesel [6]

Hiện nay các nhà nghiên cứu về động cơ trong nước cũng như trên thế giới đã đưa ra rất nhiều biện pháp kỹ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm trong động cơ diesel, các biện pháp kỹ thuật này nói chung được phân thành 3 nhóm:

2.3.3.1 Biện pháp xử lý từ bên trong động cơ Đối với động cơ diesel các giải pháp kĩ thuật tối ưu làm giảm mức độ phát sinh ô nhiễm ngay trong buồng cháy cần phải được cân nhắc giữa nồng độ của các chất HC, NOx và bồ hóng trong khí xả Các nhà chế tạo động cơ Diesel đã đề ra nhiều biện pháp khác nhau về kĩ thuật phun và tổ chức quá trình cháy nhằm giới hạn nồng độ hai chất ô nhiễm này Các biện pháp chính là:

Giới thiệu tổng quan về mô phỏng và phần mềm KIVA 3

2.5.1 Tổng quan về mô phỏng [23]

2.5.1.1 Giới thiệu sơ lược về phương pháp mô phỏng

Mô phỏng là quá trình diễn tả một sự vật hoặc một hiện tượng cho một đối tượng khác hiểu và làm được Đối với những hiện tượng lớn mà mô phỏng theo phương pháp trên khó thực hiện được nên người ta chuyển qua một hàm theo thời gian t: f(t)

Tuy nhiên, phải nén thời gian lại theo môt cách riêng để có thể diễn tả f(t)

Mô phỏng là việc tạo ra một mô hình đơn giản cho vật thể hoạt động dựa trên những quy luật mô phỏng theo điều kiện thực tế, trên mô hình này ta có thể xác định những thông số tác động và các đặc tính làm việc của vật thể đó

2.5.1.2 Tầm quan trọng của phương pháp mô phỏng

Tiết kiệm thời gian và chi phí do không phải chế tạo nhiều vật mẫu để thử nghiệm

Có thể xem xét gần như không hạn chế mức độ chi tiết của các kết quả mô phỏng

Có thể áp đặt các điều kiện ban đầu rất khắc nghiệt mà phương pháp thực nghiệm khó tạo ra

Khắc phục trước các sai sót có thể khi chế tạo mẫu vật

Loại bỏ tính ước lượng, phỏng đoán trong thiết kế đối tượng nghiên cứu

2.5.2 Giới thiệu về phần mềm KIVA 3 [39], [40] Để tối ưu hóa quá trình cháy, các nhà nghiên cứu và thiết kế động cơ đã cải tiến động cơ theo cách thủ công truyền thống, sau đó mới tiến hành thí nghiệm và phân tích kết quả Quy trình này lặp đi lặp lại một cách cần mẫn, mất nhiều thời gian và tốn kém nhiều chi phí Bản thân quy trình này không góp phần xác định một cách cụ thể phương án nghiên cứu và thiết kế động cơ tối ưu Để giải quyết những vấn đề này, các nhà khoa học phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos đã phát triển phần mềm KIVA - phần mềm về mô hình thuật toán động học chất lỏng tiên tiến mà nó có thể mô phỏng một cách chính xác các quá trình xảy ra trong xy-lanh của động cơ Phần mềm dự đoán sự phức tạp của các dòng nhiên liệu và không khí cũng như sự đánh lửa, sự cháy và cả quá trình hình thành chất gây ô nhiễm trong các động cơ Phần mềm KIVA đã được dùng để nhận biết được sự tự cháy của nhiên liệu và để tối ưu động cơ Diesel cho hiệu suất cao và mức phát thải ô nhiễm thấp

Chương trình mô phỏng KIVA3V-ERC là chương trình phần mềm trên máy tính dùng để mô phỏng các quá trình của động cơ đốt trong nói chung và mô phỏng các

51 chế độ phun nhiên liệu (thời điểm phun và thời gian phun,…) của động cơ Diesel nói riêng Cấu trúc chương trình tập tin KIVA-3V gồm 3 phần chính sau [23]: k3prep (Pre-processor): Chương trình dùng để tạo lưới cho mô hình kiva3v (Main Processor): Chương trình xử lý chính

Origin(excel) + tecplot (post-processor): Chương trình tạo biểu đồ, hình ảnh

Iprep.txt (tệp tin đầu vào)

Pre-processor k3prep otape17.txt (lưới) otape11.txt(thông tin chung)

Itape5.txt (thông số hoạt động của động cơ) Itapeerc.txt (hằng số của mô hình ERC) Itape18.txt (dữ liệu độ nâng xúpáp)

*.txt (tệp tin đầu ra chứa dữ liệu các chất trong xy-lanh)

*.dat (tệp tin đầu ra chứa thông tin trạng thái các chất trong xy-lanh tại các góc quay trục khuỷu định trước) otape12.txt (thông tin chung)

Biểu đồ, hình ảnh 3 chiều Biểu đồ - đồ thị

MÔ HÌNH TOÁN ỨNG DỤNG TRONG MÔ PHỎNG

Phương trình nhiệt động học thứ nhất

Trong động cơ đốt trong quá trình cháy là quá trình không thuận nghịch biến năng lượng hóa học thành nhiệt năng Việc xác định trạng thái của môi chất tại từng thời điểm của quá trình cần phải biết cụ thể các phản ứng trung gian biến đổi từ hỗn hợp ban đầu thành sản phẩm cháy cuối cùng Cho tới nay, các phản ứng đó chỉ mới được xác định đối với các nhiên liệu đơn giản như hydrogene, methane…Tuy nhiên, trong tất cả các trường hợp ta đều có thể dùng định luật nhiệt động lực học thứ nhất để xác định mối tương quan giữa trạng thái đầu và cuối của quá trình cháy Định luật nhiệt động thứ nhất thể hiện mối quan hệ giữa sự biến thiên nội năng (enthalpie) với sự biến thiên của nhiệt và công Khi áp dụng định luật đối với hệ thống mà thành phần hóa học của nó thay đổi chúng ta cần xác định trạng thái chuẩn zero của nội năng (enthalpie) của tất cả các chất trong hệ thống

Phương trình nhiệt động thứ nhất trong trường hợp cụ thể được xác định theo công thức sau:

Hình 3-1: Cân bằng năng lượng trong xy-lanh

Sự thay đổi khối lượng trong xy-lanh có thể được tính toán từ tổng khối lượng của dòng khí nạp và dòng khí thải:

𝑑(𝑚 𝑐 𝑢) 𝑑𝛼 : Biến đổi nội năng trong xy-lanh

𝑑𝛼 : Công chu trình thực hiện

𝑑𝛼: Tổn thất nhiệt qua vách

𝑑𝛼 ∶ Tổn thất enthalpy do lọt khí mc : Khối lượng môi chất bên trong xy-lanh u : Nội năng pc : Áp suất bên trong xy-lanh V : Thể tích xy-lanh

QF: Nhiệt lượng cung cấp nhiên liệu Qw: Nhiệt lượng tổn thất cho thành α : Góc quay trục khuỷu hBB: Trị số enthalpy c i e BB ev dm dm dm dm dm d    d    d   d   dt

𝑑.𝑚 𝐵𝐵 𝑑𝛼 : Biến thiên khối lượng dòng chảy

: Khối lượng khí nạp vào trong xy-lanh : Khối lượng khí thải ra xy-lanh

: Enthalpy của khối lượng khí nạp : Enthalpy của khối lượng khí thải

: Lượng nhiệt bay hơi của nhiên liệu : Hệ số ma sát của lượng nhiệt bay hơi

: Khối lượng nhiên liệu bay hơi

Phương trình trên dùng cho cả động cơ hình thành hỗn hợp bên trong và bên ngoài buồng cháy Tuy nhiên sự hình thành hỗn hợp của hai trường hợp trên là khác nhau.

Truyền nhiệt trong xy-lanh

Quá trình truyền nhiệt từ trong buồng cháy qua thành buồng cháy như nắp xy- lanh, piston, và lót xilanh dựa vào phương trình truyền nhiệt

Qwi = Ai.αw.( Tc – Twi ) (3.3) Trong đó:

Qwi: Nhiệt lượng truyền cho thành(nắp xy-lanh, piston, lót xy-lanh) Ai : Diện tích truyền nhiệt (nắp xy-lanh, piston, lót xy-lanh) αw: Hệ số truyền nhiệt dm i dm e h i h e q ev f m ev

55 Tc: Nhiệt độ môi chất trong xy-lanh

Twi: Nhiệt độ thành (nắp xy-lanh, piston, lót xy-lanh)

Trong trường hợp nhiệt độ của thành lót xy-lanh biến đổi nhiệt độ dọc trục giữa vị trí ĐCT và ĐCD được tính theo công thức sau:

𝑇 𝐿,𝐷𝐶𝐷 ) TL : Nhiệt độ lót xy-lanh TL,DCT : Nhiệt độ lót xy-lanh tại vị trí DCT TL,DCD : Nhiệt độ lót xy-lanh tại vị trí DCD x : Dịch chuyển tương đối của piston (vị trí thực tế của piston so với toàn bộ hành trình)

Các mô hình truyền nhiệt trong xy-lanh

Mô hình Woschni được hình thành vào năm 1978 dùng cho động cơ có áp suất cao và được tính theo công thức sau:

56 C2 = 0,00324 cho động cơ phun trực tiếp C2 = 0,00622 cho động cơ phun gián tiếp D : Đường kính xy-lanh (mm) cm : Tốc độ của piston (m/s) cu : Tốc độ lưu thông (m/s) VD : Thể tích của xy-lanh (cm 3 ) Pc,0 : Áp suất xy-lanh của động cơ (bar) Tc,1 : Nhiệt độ xy-lanh tại thời điểm đóng xupáp nạp ( 0 K) Pc,1 : Áp suất xy-lanh tại thời điểm đóng van nạp (bar) Đến năm 1990 mô hình truyền nhiệt Woschni được xây dựng nhằm mục đích tăng thêm độ chính xác trong việc tiên đoán được lượng nhiệt truyền đi:

VTDC : Thể tích xy-lanh tại điểm chết trên (cm 3 ) V : Thể tích thực của xy-lanh (cm 3 )

IMEP : Ảnh hưởng của áp suất Trong trường hợp:

57 Hệ số nhiệt truyền đi được tính theo công thức năm 1987

D : Đường kính xy-lanh (mm) cm : Vận tốc piston (m/s) cu : Tốc độ lưu thông (m/s)

Trong mô hình truyền nhiệt Hohenberg, hệ số truyền nhiệt được tính theo phương trình sau:

+ Mô hình Lorenz Đặc tính tốc độ trong xy-lanh được tính theo công thức sau:

(3.8) Trong phương trình Lorenz đặc tính tốc độ được tính theo công thức sau:

: Thể tích dòng chảy từ đoạn nối của ống đến xy-lanh x : Khoảng hở giữa đầu xy-lanh và piston (mm)

+ Mô hình truyền nhiệt AVL 2000

Hệ số truyền nhiệt được tính toán theo công thức sau:

Trong đó: α : Hệ số truyền nhiệt (J/K/M2) C4 = 14.0 d : Đường kính (mm) T : Nhiệt độ (K) dm : Đường kính ống nối đầu nạp (mm) vm : Vận tốc đầu đường nạp (m/s)

Trong tất cả các mô hình truyền nhiệt, mô hình được sử dụng trong luận văn này là mô hình Woschni Mô hình Woschni là mô hình được sử dụng cho động cơ diesel, so với các mô hình khác thì mô hình Woschni có độ với độ chính xác cao hơn

Tính toán truyền nhiệt trong động cơ diesel

 Điều khiển hòa trộn trong buồng cháy Nhiệt lượng thoát ra là một hàm phụ thuộc vào các yếu tố sau:

QMCC : Nhiệt lượng tiêu tốn để điều khiển hòa trộn trong buồng đốt

CComb : Hằng số buồng đốt

CRate : Hằng số tỉ lệ hòa trộn k : Trọng lượng riêng mF : Khối lượng nhiên liệu (kg) LCV : Khả năng tỏa nhiệt (J) V : Thể tích xy-lanh (cm 3 ) α :Góc đánh lửa (CA)

- Quá trình cháy trễ Thời gian cháy trễ được tính toán bằng cách sử dụng mô hình của

60 Andree và Pachernegg theo phương trình cân bằng sau:

Ngay khi toàn bộ thời điểm cháy trễ Iid đạt giá trị 1.0,thời gian cháy trễ được tính như sau:

Iid : Toàn bộ thời gian cháy trễ (CA) Tref : Nhiệt độ tham khảo = 505 TUB : Nhiệt độ khu vực không cháy Qref : Năng lượng tham khảo

: Thời gian cháy trễ α SOI : Thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu αid : Thời điểm bắt đầu cháy

- Quá trình cháy hỗn hợp

Một chức năng của Vibe là sự dụng để mô tả nhiệt lượng mất mát cho quá trình cháy hòa trộn

61 QPMC : Tổng nhiệt lượng nhiên liệu đầu vào cung cấp cho quá trình cháy hỗn hợp = mnl,id.CPMC mnl,id : Tổng lượng nhiên liệu phun trong suốt quá trình cháy trễ CPMC : Hệ số cháy hỗn hợp

△αc :Thời gian cháy hỗn hợp m : Thông số hình dáng m = 2,0 a : Thông số Vibe a = 6,9

Mô hình hình thành NOx

Mô hình Zel’dovich được sử dụng trong tính toán việc hình thành NOx, mô hình bao gồm các phương trình phản ứng chính như sau [34]:

Mô hình biến đổi động lực học

  1    2 2    2 3    1    2    3    d NO k N O k N O k OH N k NO O k NO O k NO H dt         

  1    2 2    3    1    2    3    0 d N k N O k N O k N OH k NO OH k NO O k NO H dt          

(3.15) Phương trình trạng thái gần đúng trong mô hình:

1 k NO k O N k O NO d NO k k NO dt k O

Hoặc phương trình trạng thái chính xác hơn:

Trong đó, Baulch và nhóm tác giả đã chỉ ra rằng:

Phương trình trạng thái của Heywood

NO d NO k O N k O N k NO dt k O k OH

Các giá trị tốc độ phản ứng của Heywood

Trong đó, ki[kg/m 3 s]: tốc độ phản ứng phần tử i; [*][mole/cc]: mật độ phần tử *;

Mô hình hình thành bồ hóng

Sự hình thành của bồ hóng được giải thích thông qua chuỗi quá trình được đề xuất bởi Kazakov và Foster Biểu đồ của mô hình bồ hóng “8 bước” của Foster nêu ra trong hình (3-2) [25]

Dưới điều kiện nhiệt độ cao trong suốt quá trình cháy, các hạt cơ sở và Acetylen C2H2 được tạo ra từ nhiệt phân nhiên liệu Cơ sở tính toán của mô hình dựa trên giả thuyết các hạt cơ sở, gọi tắt là PR, được tạo bởi C50 và nhiên liệu đặc trưng là n- tetradecan, C14H30 nghĩa là có cùng tỉ lệ carbon/hydro với nhiên liệu diesel [26]

Các phương trình cơ bản của mô hình bao gồm:

Một nguyên tử hạt cơ sở chuyển thành hạt bồ hóng dựa trên phương trình sau:

Hình 3-2: Mô hình hình thành bồ hóng [25]

Acetylen them phân tử Carbon vào bề mặt của nguyên tử bồ hóng để tạo nên nguyên tử mới có kích thước lớn hơn Và nguyên tử bồ hóng mới này cũng tự kết hợp để tiếp tục phát triển về kích thước

Do nhiệt độ cao và sự có mặt của Oxy trong suốt quá trình cháy nên các hạt cơ sở, Acetylen, nguyên tử bồ hóng bị Oxy hóa Bồ hóng phát thải là kết quả của sự kết hợp giữa lượng bồ hóng hình thành và lượng bồ hóng bị Oxy hóa trong buồng đốt

Csoot + O2 → Csoot-2 + 2CO Các tốc độ phản ứng được liệt kê trong bảng 3-1

Hình thành hạt cơ sở 12

Phát triển kích thước với C2H2

Phát triển kích thước bằng tích tụ

Oxy hóa hạt cơ sở 12 02

Bảng 3-1: Tốc độ phản ứng sử dụng trong mô hình bồ hóng “8 bước” của Foster

Tốc độ thay đổi phần tử khối lượng của các hạt được tính toán một cách đồng thời dY F r 1 r 2 dt    (3.21)

PR A d r r dt   M  N (3.28) Trong đó PR: hạt cơ sở; C50: carbon 50 nguyên tử; MW*: khối lượng phân tử

THIẾT LẬP THÔNG SỐ MÔ PHỎNG VÀ THỰC HIỆN MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA GÓC PHUN NHIÊN LIỆU ĐẾN QUÁ TRÌNH CHÁY VÀ KHÍ THẢI

Xây dựng mô hình mô phỏng và thiết lập các thông số ban đầu

4.1.1 Xây dựng mô hình mô phỏng buồng cháy động cơ diesel RV125-2 Động cơ diesel RV125-2 là động cơ 4 kỳ, 1 xy-lanh, nằm ngang, công suất 12,5 mã lực Động cơ diesel RV125-2 với hình dạng piston như Hình (4-1) bên dưới [23]

Hình 4-1: Bản vẽ piston động cơ VIKYNO RV125-2 [23]

4.1.2 Tạo mô hình lưới cho buồng cháy động cơ Diesel RV125-2 [23]

Việc tạo mô hình lưới buồng cháy động cơ rất quan trọng vì chương trình chính KIVA 3V không có khả năng tạo mô hình lưới mà chỉ đọc thông số lưới từ tệp tin Otape17.txt – một tệp tin kết quả sau khi chạy chương trình K3prep Để tạo được tệp tin Otape17.txt, các thông số đầu vào trong tệp tin Iprep.txt cần được xác định và thiết lập chính xác để phù hợp với động cơ nghiên cứu diesel RV125-2 Các thông số đầu vào cần xác định được trình bày trong Bảng (4-1) Ngoài các thông số trên, ta cần phải xác định các thông số về kết cấu khác của động cơ nghiên cứu như: Vị trí

68 và biên dạng hình học của buồng cháy trên đỉnh piston, số lượng lỗ tia của kim phun nhằm xác định góc mô phỏng, hình dạng hình học của buồng đốt để phân lập ra các

“vùng lo-gic” như Hình (4-2)

Việc xác lập biên dạng hình học của buồng cháy trên đỉnh piston được thực hiện dựa vào bản vẽ thiết kế từ nhà sản xuất động cơ VIKYNO Diesel RV125-2 trình bày trên hình (4-2) Do buồng cháy trên đỉnh piston có dạng ω và đối xứng qua đường tâm xy lanh nên việc xác định biên dạng dựa vào cặp tọa độ (R,Z) như Hình (4-2) [39], [40]

Hình 4-2: Phân vùng và lập tọa độ điểm vị trí biên của piston [23]

Sau khi xác định các thông số cần thiết cho tệp tin đầu vào Iprep.txt Kết quả ta thu được một mô hình lưới của động cơ diesel VIKYNO RV125-2 về cơ bản sẽ có hình dạng như Hình (4-3)

Hình 4-3:Mô hình lưới buồng đốt piston [23]

4.1.3 Các thông số hình học của buồng cháy động cơ RV 125-2

Hình dạng hình học của buồng cháy trên động cơ diesel phun trực tiếp VIKYNO RV 125-2 được nghiên cứu bằng mô phỏng kết hợp thực nghiệm tại chế độ hoạt động

80% tải và tốc độ động cơ là 2400 vòng/phút Thông số hình học đã được thay đổi để đánh giá tác động đến công suất và khí thải động cơ diesel phun trực tiếp trong khi tỉ số nén và các thông số khác được giữ không đổi Trong phạm vi nghiên cứu luận văn này tác giả sử dụng các kết quả phân tích về hình dạng hình học của buồng cháy do tác giả Nguyễn Đắc Khánh Hưng thực hiện trong luận văn cao học như sau [23]:

Khi tăng kích thước buồng cháy mà cụ thể là đường kính buồng cháy, áp suất và nhiệt độ cực đại trong xy lanh đều tăng

Công suất động cơ đạt giá trị cực đại khi buồng cháy có hình dạng thích hợp

Khi tăng đường kính buồng cháy thì nồng độ NOx giảm và bồ hóng tăng

So sánh với hình dạnh buồng cháy hiện tại trên động cơ VIKYNO RV 125-2 thì buồng cháy có hình dạng đường kính tăng cho công suất lớn hơn 6.22%, nồng độ NOx giảm 0.85% và bồ hóng tăng 45.83%.

Điều kiện mô phỏng thay đổi góc phun nhiên liệu

Mô phỏng được thực hiện để xét đến sự ảnh hưởng của góc phun nhiên liệu của kim phun đến quá trình cháy và khí thải trên động cơ diesel RV125-2, tại số vòng quay của động cơ là 2400 vòng/phút, chế độ hoạt động 80% tải Trong chương này, quá trình mô phỏng được tiến hành với các góc phun nhiên liệu khác nhau: 105 0 , 110 0 , 115 0 , 120 0 , 125 0 , 130 0 , 135 0 , 140 0 , 142 0 , 144 0 , 146 0 , 148 0 , 150 0 , 152 0 , 154 0 , 156 0 , 158 0 , 160 0 , 162 0 , 164 0 , 166 0 , 168 0 , 170 0 , 172 0 , 174 0 , 176 0 , 178 0 và 180 0

TT Thông số quá trình mô phỏng Giá trị

1 Thông số hình học mô phỏng (thsect.) 90.0 0

2 Tốc độ động cơ 2400 vòng/phút

3 Thời điểm xú páp nạp đóng (IVC) 135 deg BTDC

4 Thời điểm xú páp xả mở (EVO) 130 deg ATDC

5 Nhiệt độ thành xy lanh 400K

7 Nhiệt độ nắp quy lát 400K

8 Lưu lượng phun 38mm 3 / chu trình

11 Góc phun (tia nhiên liệu) Thay đổi từ 135 0 đến 180 0

12 Áp suất tại IVC 0.99 Bar

71 14 Tỉ số xoáy lốc ban đầu 1.0

15 Nhiệt độ tia nhiên liệu ban đầu 323K

Bảng 4-1: Bảng thông số quá trình mô phỏng động cơ diesel RV125-2 [24]

Sau khi tiến hành thực hiện mô phỏng, ta có thể biểu diễn kết quả bằng đồ thị như sau

Hình 4-4: Đồ thị thể hiện mối liên hệ giữa công suất động cơ tương ứng với các góc phun nhiên liệu thay đổi từ 100 0 đến 180 0

Hình (4-4) thể hiện mối liên hệ giữa công suất và góc phun nhiên liệu của kim phun, dựa vào kết quả của đồ thị ta có thể lựa chọn 2 góc phun có công suất lớn nhất

72 là góc 144 0 và góc 164 0 Tuy nhiên, công suất lớn chỉ là điều kiện cần và ta cần có thêm điều kiện đủ đó là chất lượng khí thải của động cơ phải tốt (đồng nghĩa lượng NOx và bồ hóng trong khí thải thấp)

Hình 4-5: Đồ thị thể hiện mối liên hệ của NO x và lượng bồ hóng phát thải tương ứng với các góc phun nhiên liệu được thay đổi từ 130 0 đến 172 0

Hình (4-5) thể hiện mối liên hệ giữa NOx và bồ hóng khi thay đổi của góc phun nhiên liệu, quan sát trên đồ thị ta có nhận xét là khi góc phun là 164 0 thì lượng bồ hóng sinh ra thấp hơn và đồng thời lượng NOxsinh ra cũng không cao hơn nhiều so với góc phun 144 0

Dựa vào kết quả sơ bộ trên tác giả chọn góc phun nhiên liệu là 164 0 và sẽ đi sâu vào phân tích để chứng minh luận điểm của mình ở chương sau

PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Ảnh hưởng của góc phun đến áp suất và nhiệt độ trong xy lanh

5.1.1 Ảnh hưởng của góc phun đến áp suất trong xy lanh

Mô phỏng nghiên cứu ảnh hưởng của góc phun nhiên liệu đến quá trình cháy và khí thải trên động cơ khảo sát diesel RV 125-2 nói riêng và trên động cơ diesel nói chung tại số vòng quay của động cơ là 2400 vòng/phút, với chế độ tải 80%

Hình 5-1: Mối liên hệ giữa áp suất với các góc phun nhiên liệu 135 0 , 140 0 , 144 0 ,

74 Hình (5-1) thể hiện mối liên hệ giữa áp suất bên trong xy lanh và các góc phun nhiên liệu 135 0 , 140 0 , 144 0 , 148 0 , 152 0 , 156 0 , 160 0 , 164 0 , 168 0 tương ứng với góc quay trục khuỷu của động cơ

Góc phun nhiên liệu cực đại

[deg] Áp suất cực đại trong xylanh

Bảng 5-1: Thông số ảnh hưởng của góc phun nhiên liệu đến áp suất trong xy-lanh

Quan sát trên đồ thị Hình (5-1) và Bảng 5-1 ta nhận thấy khi tăng góc phun nhiên liệu thì áp suất trong buồng cháy sẽ giảm xuống nhưng mức giảm này không đáng

75 kể và đường cong ứng với góc phun nhiên liệu 164 0 cũng có hình dạng gần giống với đường cong ứng với góc phun nhiên liệu 140 0

Thông thường thì quá trình cháy - cụ thể là việc hòa trộn không khí với nhiên liệu của động cơ - sẽ bị ảnh hưởng khi thay đổi hình dạng buồng cháy và góc phun nhiên liệu, việc hòa trộn nhiên liệu và không khí tốt hơn làm cho quá trình cháy tốt hơn giúp tăng được áp suất cũng như nhiệt độ trong xy-lanh Nhưng trong trường hợp cụ thể của đề tài nghiên cứu này thì áp suất và nhiệt độ buồng cháy lại giảm xuống khi tăng góc phun nhiên liệu Hiện tượng này có thể lý giải như sau: Ở các nghiên cứu trước đây thì thời điểm bắt đầu cháy của động cơ luôn trước điểm chết trên và làm cho thời điểm bắt đầu cháy tiến gần sát đến điểm chết trên, lúc này piston đang đi lên, áp suất và nhiệt độ đang rất cao do đó giúp tăng áp suất và nhiệt độ buồng cháy động cơ Nhưng ở động cơ nghiên cứu thì ta thấy thời điểm bắt đầu cháy đang ở ngay sát điểm chết trên, làm cho thời điểm bắt đầu cháy rời xa khỏi điểm chết trên lúc này thì piston đang đi xuống, làm giảm áp suất và nhiệt độ trong buồng cháy động cơ

Qua các phân tích nêu trên ta có thể kết luận rằng, đối với động cơ nghiên cứu nói riêng và động cơ diesel phun trực tiếp nói chung, khi góc phun nhiên liệu càng lớn thì áp suất và nhiệt độ trong buồng cháy động cơ sẽ giảm và trong nghiên cứu này có thể tìm ra được góc phun 164 0 sẽ có áp suất và nhiệt độ của buồng cháy có giá trị gần tương đương với giá trị của góc phun 140 0

5.1.2 Ảnh hưởng của góc phun đến nhiệt độ trong xy lanh

Hình (5-2) thể hiện mối liên hệ giữa nhiệt độ trung bình bên trong xy lanh khi thay đổi góc phun nhiên liệu 135 0 , 140 0 , 144 0 , 148 0 , 152 0 , 156 0 , 160 0 , 164 0 , 168 0 tương ứng với góc quay trục khuỷu của động cơ

Hình 5-2: Mối liên hệ giữa nhiệt độ trung bình và góc phun nhiên liệu

Hình (5-3) thể hiện mối liên hệ giữa nhiệt độ cực đại bên trong xy lanh khi thay đổi góc phun nhiên liệu 135 0 , 140 0 , 144 0 , 148 0 , 152 0 , 156 0 , 160 0 ,164 0 , 168 0 tương ứng với góc quay trục khuỷu của động cơ

Hình 5-3: Mối liên hệ giữa nhiệt độ cực đại và góc quay trục khuỷu tương ứng với các góc phun nhiên liệu 135 0 , 140 0 , 144 0 , 148 0 , 152 0 , 156 0 , 160 0 ,164 0 , 168 0

Góc phun nhiên liệu [deg] Tmax trong xylanh [K] ∆T [%]

Bảng 5-2: Thông số ảnh hưởng của góc phun nhiên liệu đến nhiệt độ cực đại trong xy-lanh

Quan sát trên đồ thị ở Hình (5.3) và Bảng 5.2 ta thấy rằng khi thay đổi góc phun nhiên liệu từ 140 0 đến 164 0 thì nhiệt độ cực đại và nhiệt độ trung bình trong xy lanh giảm dần tương ứng Cụ thể, ở góc phun là 140 0 thì nhiệt độ cực đại trong xy lanh đạt giá trị 3.123,05K và khi tăng góc phun nhiên liệu ở góc 164 0 thì nhiệt độ cực đại trong xy lanh có giá trị là 3.116,63 K, có nghĩa là khi thay đổi góc phun nhiên liệu từ 140 0 lên 168 0 thì nhiệt độ cực đại trong xy lanh giảm 0,2 %

Hình 5-4: Mặt cắt dọc của buồng cháy

79 Hình (5-4) thể hiện mặt cắt sự phân bố nhiệt độ cực đại bên trong xy lanh tại thời điểm 15 0 ATDC khi tiến hành thay đổi góc phun nhiên liệu: 140 0 , 144 0 , 148 0 , 152 0 , 156 0 , 160 0 , 164 0 , 168 0 nhằm chứng minh cụ thể hơn cho phân tích và lập luận về sự thay đổi áp suất và nhiệt độ trong xy lanh khi thay đổi góc phun nhiên liệu được trình bày ở trên.

Nhiệt độ cực đại ứng với góc phun 148 0 Nhiệt độ cực đại ứng với góc phun 152 0 Nhiệt độ cực đại ứng với góc phun 140 0 Nhiệt độ cực đại ứng với góc phun 144 0

Hình 5-5: Sự phân bố nhiệt độ bên trong xylanh tại thời điểm 15 0 ATDC tương ứng với các góc phun nhiên liệu khác nhau: 140 0 , 144 0 , 148 0 , 152 0 , 156 0 , 160 0 , 164 0 ,

Hình (5-5) thể hiện các mặt cắt buồng cháy của động cơ tại thời điểm 15 0 sau điểm chết trên tương ứng với các góc phun nhiên liệu 140 0 , 144 0 , 148 0 , 152 0 , 156 0 , 160 0 , 164 0 , 168 0 Quan sát trên hình ta thấy vùng nhiệt độ tương ứng với các góc phun nhiên liệu sẽ có xu hướng giảm so với góc phun nhiên liệu 140 0

Nhiệt độ cực đại ứng với góc phun 164 0 Nhiệt độ cực đại ứng với góc phun 168 0 Nhiệt độ cực đại ứng với góc phun 156 0 Nhiệt độ cực đại ứng với góc phun 160 0

Ảnh hưởng của góc phun đến tốc độ tỏa nhiệt

Phân tích tốc độ tỏa nhiệt để đánh giá giá trị nhiệt tỏa ra trong suốt quá trình cháy của động cơ Kết quả phân tích sẽ định lượng được thông số quá trình cháy, hay nói cách khác, sẽ nắm bắt được các vấn đề xảy ra trong suốt quá trình cháy Tốc độ tỏa nhiệt được phân tích dựa trên các thông số thu được từ dữ liệu áp suất và thể tích xy lanh Đồ thị tốc độ tỏa nhiệt theo góc quay trục khuỷu và giá trị tỏa nhiệt cực đại được nêu ra trong Hình (5-6)

Hình 5-6: Tốc độ tỏa nhiệt và góc quay trục khuỷu tương ứng với các góc phun nhiên liệu 135 0 , 140 0 , 144 0 , 148 0 , 152 0 , 156 0 , 160 0 , 164 0 , 168 0

Quan sát trên đồ thị ta có nhận xét như sau: Giá trị tỏa nhiệt cực đại sẽ giảm dần và có xu hướng ngày càng tiến gần tới điểm chết trên khi ta tăng góc phun nhiên liệu trên động cơ

Ảnh hưởng của góc phun đến quá trình hình thành bồ hóng và

5.3.1 Ảnh hưởng của góc phun đến lượng phát thải bồ hóng

Nồng độ bồ hóng có mặt trong khí cháy sau khi thoát ra khỏi ngọn lửa khuếch tán phụ thuộc vào 4 yếu tố cơ bản: Thành phần nhiên liệu, nồng độ nhiên liệu, nồng độ oxi và sự phân bố nhiệt trong ngọn lửa Hai yếu tố có ảnh hưởng nhiều đến nồng độ bồ hóng đó chính là nồng độ nhiên liệu và nồng độ oxi Sự hình thành bồ hóng chủ yếu là do quá trình cháy không hoàn toàn của nhiên liệu, khi hỗn hợp nghèo và được phân bố đồng nhất thì nồng độ bồ hóng rất bé Nồng độ oxi ảnh hưởng đến sự oxi hóa bồ hóng sau khi chúng được hình thành nên cũng ảnh hưởng đến nồng độ bồ hóng cuối cùng có mặt trong sản phẩm cháy Yếu tố cũng ảnh hưởng đến sự hình thành bồ hóng là sự phân bố nhiệt độ trong ngọn lửa Nhiệt độ càng cao ở vùng giàu nhiên liệu sẽ thuận lợi cho việc hình thành bồ hóng Ngược lại nhiệt độ cao ở vùng thừa oxi sẽ thuận lợi cho việc oxi hóa bồ hóng Nồng độ bồ hóng thoát ra là hiệu số giữa lượng bồ hóng hình thành và lượng bồ hóng bị oxi hóa

Theo các nghiên cứu lý thuyết đã được thực hiện trước đây thì trên mỗi mặt cắt ngang của ngọn lửa khuếch tán, nồng độ nhiên liệu đạt giá trị cực đại tại tâm Phía ngoài rìa ngọn lửa, hỗn hợp loãng, lượng ô xi khuếch tán vào nhiều, do đó tốc độ oxi hóa bồ hóng tăng làm nồng độ của nó giảm nhanh

Khi nhiệt độ càng cao thì vùng có nồng độ bồ hóng cực đại sẽ dịch chuyển đến lỗ kim phun Điều này có nghĩa là vùng sản sinh bồ hóng dịch chuyển về phía kim phun làm cho khoảng thời gian các hạt bồ hóng đi qua vùng nhiệt độ cao được kéo dài, lượng bồ hóng bị oxi hóa tăng khiến cho nồng độ bồ hóng trong sản phẩm cháy giảm

Nói cách khác, nồng độ bồ hóng trong khí thải giảm theo sự gia tăng nhiệt độ của buồng cháy

Hình 5-7: Mối liên hệ giữa lượng bồ hóng hình thành theo góc quay trục khuỷu tương ứng với các góc phun nhiên liệu 135 0 , 140 0 , 144 0 , 148 0 , 152 0 , 156 0 , 160 0 ,

Hình (5-7) và (5-8) thể hiện mối liên hệ giữa lượng bồ hóng hình thành và lượng bồ hóng bị oxi hóa tương ứng với góc quay trục khuỷu Có thể phân biệt được ba vùng trên đồ thị: Vùng gia tăng tuyến tính, vùng chuyển từ giai đoạn cuối của vùng gia tăng tuyến tính và điểm cực đại của đồ thị, vùng từ điểm cực đại của đồ thị đến khi kết thúc

Hình 5-8: Mối liên hệ giữa lượng bồ hóng hình thành và oxi hóa theo góc quay trục khuỷu tương ứng với các góc phun nhiên liệu 140 0 , 148 0 ,152 0 ,156 0 ,164 0 ,168 0

Quan sát đồ thị ta thấy vùng tăng tuyến tính phụ thuộc nhiều vào sự bay hơi của nhiên liệu và không bị ảnh hưởng bởi hình dạng của buồng cháy [10] Khi thay đổi hình dạng buồng cháy kết hợp với góc phun nhiên liệu phù hợp thì nhiên liệu và không khí sẽ được hòa trộn tốt, tia phun ít bám trên thành buồng cháy sẽ làm quá trình cháy mãnh liệt và tốc độ oxi hóa bồ hóng cũng tăng nhanh [10] Đây chính là nguyên nhân làm lượng bồ hóng trong xi lanh giảm dần Để làm rõ hơn vấn đề này, ta thực hiện các phân tích đối với mặt cắt ngang của buồng cháy

Hình 5-9: Mặt cắt ngang buồng cháy

Quan sát hình (5-10), ta có nhận xét như sau: Nhiệt độ trong buồng cháy ứng góc phun nhiên liệu 140 0 cao hơn so với nhiệt độ trong buồng cháy ứng với góc phun nhiên liệu 164 0 ; lúc này nhiệt độ trong buồng cháy thấp kết hợp với quá trình oxi hóa bồ hóng cao làm cho lượng bồ hóng phát thải ứng với góc phun nhiên liệu 164 0 giảm

Sự phân bố nhiên liệu trong buồng cháy ứng với góc phun 140 0

Sự phân bố nhiên liệu trong buồng cháy ứng với góc phun 164 0

Hình 5-10: Mặt cắt buồng cháy tương ứng với góc phun 140 0 và 164 0

5.3.2 Ảnh hưởng của góc phun đến quá trình hình thành NO x

Ngược với bồ hóng, NOx được hình thành ở khu vực hỗn hợp nghèo và nhiệt độ cao trong đó sự phân bố nồng độ nhiên liệu và nhiệt độ buồng cháy hai yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến sự hình thành này

Nồng độ NOx tăng theo nhiệt độ của buồng cháy và nhiệt độ tại khu vực cháy Đối với hỗn hợp giàu, nồng độ NOx giảm khi độ đậm đặc của hỗn hợp tăng, ngược với xu thế biến thiên của nồng độ bồ hóng Mặt khác, theo xu thế ngược với bồ hóng

Nhiệt độ và hệ số dư lượng không khí ứng với góc phun 164 0

Bồ hóng hình thành ứng với góc 140 0 Bồ hóng hình thành ứng với góc 164 0

140 0 Nhiệt độ và hệ số dư lượng không khí ứng với góc phun 140 0

87 là sau khi hình thành, nếu hỗn hợp được duy trì ở nhiệt độ cao thì nồng độ NOx tăng theo cơ chế động học phản ứng (không phải oxi hóa như đối với bồ hóng) Điều này có nghĩa là nhiệt độ buồng cháy càng cao thì nồng độ NOx trong khí cháy càng lớn

Tốc độ hình thành NOx và bồ hóng tại khu vực chúng được sinh ra đều tăng theo nhiệt độ tuy nhiên nồng độ của chúng trong sản phẩm cháy cuối cùng biến thiên ngược chiều nhau theo nhiệt độ của buồng cháy

Hình 5-11 : Lượng NO x hình thành theo góc quay trục khuỷu tương ứng với các góc phun nhiên liệu 140 0 , 148 0 ,152 0 ,156 0 ,164 0 ,168 0

Hình (5-11) thể hiện mối quan hệ giữa NOx sinh ra theo góc quay trục khuỷu, quan sát trên hình ta thấy NOx sẽ giảm dần khi ta tăng góc phun nhiên liệu Điều này cũng đã được đề cập trong nhiều nghiên cứu trên thế giới Nguyên nhân chính là khi ta tăng góc phun nhiên liệu thì nhiệt độ ngọn lửa giảm xuống và làm giảm NOx sinh ra

88 Hình (5-12) thể hiện mặt cắt buồng cháy của động cơ tại thời điểm 15 0 sau điểm chết trên tương ứng với góc phun nhiên liệu 140 0 và 164 0 Quan sát trên hình ta thấy vùng nhiệt độ trong buồng cháy tương ứng với góc phun 164 0 thấp hơn so với góc phun140 0 ; kết hợp với lượng oxi có trong buồng cháy tương ứng với góc phun 164 0 thấp hơn so với góc phun 140 0 dẫn tới lượng NOx hình thành tương ứng với góc phun 164 0 giảm nhiều

Phân bố nhiên liệu ứng với góc phun 140 0 Phân bố nhiên liệu ứng với góc phun 164 0

Nhiệt độ và hệ số dư lượng không khí ứng với góc phun 140 0

Nhiệt độ và hệ số dư lượng không khí ứng với góc phun 164 0

Hình 5-12: So sánh nhiệt độ và NO x hình thành tại 15 0 sau điểm chết trên

Qua các phân tích và so sánh trên ta thấy trên động cơ diesel VIKYNO RV125-2 ứng với tốc độ 2400 vòng/phút và ở 80% tải thì khi sử dụng góc phun nhiên liệu là 164 0 sẽ đạt hiệu quả cao nhất về mặt phát thải Giúp giảm được lượng bồ hóng và

NOx ở mức tối đa, nhưng để đánh giá chính xác hơn ta sẽ xem xét ảnh hưởng của nó đến công suất động cơ cũng như suất tiêu hao nhiên liệu.

Ảnh hưởng của góc phun đến công suất và suất tiêu hao nhiên liệu 89 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Hình (5-13) thể hiện mối quan hệ giữa công suất và suất tiêu hao nhiên liệu tương ứng với các góc phun nhiên liệu khác nhau Quan sát trên đồ thị ta thấy khi bắt đầu thay đổi góc phun nhiên liệu từ 135 0 đến 164 0 thì công suất tăng và suất tiêu hao nhiên liệu giảm; nhưng khi bắt đầu tăng góc phun lớn hơn giá trị 164 0 thì công suất sẽ giảm dần và suất tiêu hao nhiên liệu lại tăng dần lên

Lượng NOx hình thành ứng với góc phun

Lượng NOx hình thành ứng với góc phun

Hình 5-13: Mối liên hê giữa công suất động cơ và suất tiêu hao nhiên liệu tương ứng với các góc phun 135 0 , 140 0 , 144 0 ,148 0 ,152 0 ,156 0 , 160 0 , 164 0 ,168 0

Các kết quả về công suất và suất tiêu hao nhiên liệu được thể hiện như bảng dưới đây:

Công suất Suất tiêu hao nhiên liệu

Pe [kW] Tỉ lệ % tăng

(+) / giảm (-) ge [g/kWh] Tỉ lệ % tăng (+)

Bảng 5-3: Bảng kết quả công suất và suất tiêu hao nhiên liệu ứng với các góc phun nhiên liệu

Quan sát trên đồ thị ta thấy khi thay đổi góc phun nhiên liệu tới góc 164 0 thì công suất thay đổi tới giá trị 11,12 kW còn suất tiêu hao nhiên liệu sẽ giảm xuống giá trị 177,34 g/hWh Điều này phù hợp với phân tích ở trên là do áp suất và nhiệt độ trong buồng cháy giảm xuống Kết quả này cũng phù hợp với các nghiên cứu trên thế giới về ảnh hưởng của góc phun nhiên liệu đó là tăng công suất động cơ và giảm suất tiêu hao nhiên liệu Kết hợp các phân tích trên và xem xét các kết quả thu được, ta thấy với động cơ nghiên cứu thì khi sử dụng góc phun 164 0 là hiệu quả nhất về công suất, suất tiêu hao nhiên liệu cũng như về mặt phát thải, đặc biệt là việc giảm NOx

Kết luận: Khi thay đổi góc phun nhiên liệu trên động cơ Diesel phun trực tiếp nói chung và động cơ nghiên cứu nói riêng sẽ giúp giảm được lượng bồ hóng phát

92 thải, giảm NOx hình thành và tăng công suất động cơ cũng như giảm suất tiêu hao nhiên liệu

Kết luận

Qua kết quả mô phỏng và phân tích đánh giá ảnh hưởng của thời gian phun đến quá trình cháy và khí thải trên động cơ đang khảo sát RV125-2 ta rút ra một số kết luận sau:

Góc phun nhiên liệu tăng sẽ làm tăng tốc độ hòa trộn giữa nhiên liệu và không khí làm áp suất và nhiệt độ trong xy lanh giảm nhẹ, do đó lượng phát thải NOxvà lượng phát thải bồ hóng giảm

Góc phun nhiên liệu của động cơ diesel có ảnh hưởng đến đặc tính công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ Khi thay đổi góc phun nhiên liệu đến giá trị 164 0 thì công suất của động cơ có xu hướng tăng và suất tiêu hao nhiên liệu giảm

Góc phun nhiên liệu được chọn nhằm cân đối giữa nồng độ các chất ô nhiễm, công suất của động cơ và suất tiêu hao nhiên liệu Do đó, từ kết quả mô phỏng, phân tích và đánh giá ở trên, ta thấy rằng đối với động cơ diesel đang khảo sát RV125-2 thì góc phun nhiên liệu 164 0 có công suất lớn hơn và suất tiêu hao nhiên liệu thấp hơn so với góc phun nhiên liệu 140 0 , đồng thời nồng độ ô nhiễm bồ hóng và NOx cũng giảm so với góc phun nhiên liệu 140 0 Do đó, ta lựa chọn góc phun nhiên liệu là 164 0 cho động cơ đang khảo sát diesel RV125-2.

Đề xuất hướng phát triển

Thay đổi góc phun nhiên liệu nhằm giảm mức độ ô nhiễm khí thải trên động cơ diesel không phải là một vấn đề hoàn toàn mới Tuy nhiên việc sử dụng giải pháp này trên các động cơ diesel, đặc biệt là diesel cỡ nhỏ là không nhiều do một số hạn chế của nó về mặt kinh tế Bên cạnh đó việc ứng dụng các phần mềm mô phỏng ba chiều vào các động cơ cụ thể tại Việt Nam cũng là một vấn đề rất đáng quan tâm Do điều kiện hoạt động, điều kiện sử dụng và thực tế sửa chữa tại Việt Nam rất khác so

94 với thiết kế đã được nghiên cứu và đánh giá ở nước ngoài nên việc đánh giá sự tác động của góc phun nhiên liệu đến việc phát thải trên động cơ Diesel phun trực tiếp cần được phát triển cả về chiều rộng lẫn chiều sâu

Do thời gian thực hiện luận văn có hạn nên tác giả không thể nghiên cứu ảnh hưởng của toàn bộ các yếu tố của góc phun nhiên liệu trên động cơ Diesel, cũng như đi sâu vào một yếu tố nào cụ thể Đây chỉ là đề tài mở đầu và đặt nền móng cho các công việc nghiên cứu tiếp theo Theo tác giả, một số công việc cần được phát triển sau luận văn này là:

1 Nghiên cứu tác động của góc phun nhiên liệu kết hợp với các thông số quá trình phun nhiên liệu Chẳng hạn như thay đổi thời điểm phun, thời gian phun, tiết diện của lỗ tia phun…

2 Nghiên cứu thực nghiệm với góc phun nhiên liệu 164 0 tương ứng kết quả mô phỏng để đối chứng lại kết quả mô phỏng