Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật ô tô - máy kéo: Nghiên cứu cải thiện đặc tính phát thải động cơ Vikyno RV 125-2 sử dụng phương pháp mô phỏng

Nghiên cứu tổng quan lý thuyết sự hình thành khí thải trong động cơ diesel 01 xy-lanh và ảnh hưởng của thông số buồng cháy đến đặc tính động cơ.. Dựa trên kết quả đạt được, đánh giá ảnh

TỔNG QUAN

Giới thiệu chung

Động cơ nhiệt dùng nhiên liệu truyền thống (như xăng, diesel …) hiện là một trong những nguồn động lực chủ yếu được lắp đặt và sử dụng trong lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, ôtô chuyên dùng trong lĩnh vực xây dựng, đặc biệt là trong lĩnh vực giao thông vận tải Tuy nhiên, một trong những hạn chế của loại động cơ này là gây ra sự gia tăng đáng kể mức phát thải ô nhiễm đối với môi trường Ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ đốt trong gây ra đã là mối quan tâm của nhiều quốc gia kể từ lúc nền công nghiệp động cơ và ôtô bắt đầu phát triển Theo trình tự thời gian, có thể kể đến các quốc gia đặt ra vấn đề ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ gây ra: Đức (1910), Mỹ (1959), Pháp (1963), Nhật (1966), tiếp theo là các nước cộng đồng Châu Âu, Canada, Úc và các nước Châu Á Sự gia tăng mức phát thải ô nhiễm gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng Khí thải của động cơ đốt trong chứa các chất độc hại như CO, CO2, HC, NOx và thành phần hạt PM… gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người, cũng như ảnh hưởng đến môi trường Bảng 1.1 tóm tắt các ảnh hưởng chính của các thành gây ô nhiễm trong khí thải động cơ đến sức khỏe con người và môi trường [1] Đối với động cơ diesel tĩnh tại, các tiêu chuẩn khí thải tiêu biểu có thể kể đến bao gồm STAGE (Châu Âu) và US TIER (Hoa Kỳ) Các tiêu chuẩn khí thải này không chỉ đặt ra giới hạn phát thải ô nhiễm đối với NOx, PM mà còn bao gồm cả lượng HC và CO sinh ra từ động cơ Các quy định khí thải ngày càng chặt chẽ thúc đẩy sự phát triển các công nghệ mới nhằm tối ưu hoạt động của động cơ

Bảng 1.1 Tác hại của các chất gây ô nhiễm trong khí thải động cơ [1]

Chất ô nhiễm Nguồn phát thải Ảnh hưởng chính

CO Ô tô: 93% Các nguồn sinh năng lượng

Cản trở sự trao đổi O2 trong máu và gây ngộ độc CO (nếu nồng độ CO trong không khí từ 30 đến 45 ppm thì sẽ làm tê liệt hệ thần kinh thực vật)

Chương 1: Đặt vấn đề Trang 2

HC Ô tô: 57% Lọc dầu, sử dụng các dung môi, : 43%

Kích thích thành bên trong của các cơ quan hô hấp

NOx Ô tô: 49% Nhà máy, nguồn sinh năng lượng: 61%

Kích thích mắt, mũi họng Nếu sự kích thích rất mạnh có thể gây ho, đau đầu và hư hại phổi Nếu nồng độ NO2 trong khí quyển 3-5 ppm thì đã có dấu hiệu của sự kích thích Kích thích lên mắt, mũi ở 10-30 ppm gây ho, đau đầu, chóng mặt ở 30-50 ppm

Làm giảm quá trình quang hợp của cây xanh

PM Do hàm lượng lưu huỳnh cao, nhiên liệu, nhớt bôi trơn chưa cháy hết kết hợp

Gây ung thư đường hô hấp Bồ hóng bám vào cây cỏ làm giảm khả năng quang hợp, cây cối dễ bị héo chết Bồ hóng bám vào công trình xây dựng gây ra ăn mòn kim loại

Tại Việt Nam, không nằm ngoài xu thế chung của thế giới, vấn đề khí thải từ động cơ đốt trong là một trong những vấn đề được quan tâm hàng đầu Từ tháng 10/2005, theo quyết định số 249/2005/QĐ-TTg của Thủ tướng chính phủ, việc hạn chế mức khí thải đối với phương tiện giao thông cơ giới đường bộ (bao gồm xe máy, môtô và ôtô) được áp dụng dựa trên tiêu chuẩn Euro 2 [2],[3] Theo đó, các tiêu chuẩn khí thải cáp dụng cho động cơ diesel lắp trên phương tiện vận tải gồm có TCVN 6565:2006, TCVN 6567:2006, TCVN 6585:2006 Tuy nhiên, chưa có quy định khí thải nào áp dụng cho động cơ nông nghiệp tĩnh tại công suất nhỏ

Ngành công nghiệp động cơ đốt trong của Việt Nam với nòng cốt là Tổng công ty Máy Động lực và Máy nông nghiệp Việt Nam (VEAM) Theo số liệu thống kê của công ty VEAM, hàng năm công ty cung cấp ra thị trường hàng năm 48.000 động cơ máy nông nghiệp, trong đó riêng công ty TNHH MTV Động cơ và Máy nông nghiệp Miền Nam (SVEAM) cung cấp khoảng 45.000 động cơ Động cơ

Chương 1: Đặt vấn đề Trang 3 diesel RV125-2 là sản phẩm chủ lực chiếm hơn 40% số lượng động cơ SVEAM xuất ra thị trường Các nghiên cứu tiêu biểu trên động cơ RV125-2 có thể kể đến:

1 “Nghiên cứu mô phỏng đặc tính động cơ diesel RV125-2”, Huỳnh Thanh

Công, Hội nghị khoa học công nghệ lần thứ 12, Trường Đại Học Bách Khoa – ĐHQG Tp.HCM (tháng 10/2011)

2 “Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu song song biogas-diesel”, Nguyễn Đình Hùng - Nguyễn Hữu Hường - Vũ Việt Thắng - Vương Như Long, Hội nghị khoa học công nghệ lần thứ 11, Trường Đại Học Bách Khoa – ĐHQG Tp.HCM (tháng 10/2009)

3 “Tính toán mô phỏng trong quá trình tạo hỗn hợp trong hệ thống cung cấp biogas cho động cơ RV125-2”, Dương Tuấn Việt, Lê Duy Linh, Dương Việt Dũng, Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010

4 “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu khí dầu mỏ hoá lỏng (LPG) cho động cơ Diesel”, Đỗ Văn Dũng, Lê Thanh Phúc, Lê Việt Hùng công ty TNHH MTV Động cơ và Máy nông nghiệp Miền Nam

Các nghiên cứu trên chỉ tập trung cải thiện tính năng hoạt động của động cơ, ứng dụng các nhiên liệu thay thế trên động cơ, chưa có nghiên cứu nào cho thấy đặc tính khí thải hiện trạng cũng như cải thiện đặc tính phát thải của động cơ Phòng thí nghiệm Trọng điểm ĐHQG-HCM Động cơ đốt trong, trường Đại học Bách khoa TPHCM đã thực hiện một số thử nghiệm đánh giá khí thải động cơ Vikyno RV125-2 trên băng thử công suất theo chu trình thử ISO 8178-C1 Kết quả thử nghiệm thử nghiệm ban đầu cho thấy mức phát thải chất ô nhiễm của động cơ của động cơ vượt xa mức cho phép đối với tiêu chuẩn US TIER 2 Việc thay đổi góc phun dầu dầu sớm cũng chỉ giảm được tổng lượng NOx và HC trong khí thải động cơ, lượng CO và PM vẫn vượt tiêu chuẩn US TIER 2 [4], [5]

Chương 1: Đặt vấn đề Trang 4

Hình 1.1 Kết quả đo khí thải động cơ tương ứng với góc phun dầu sớm 14 và 20 0

BTDC so với tiêu chuẩn khí thải US TIER 2 [5]

Qua đó, có thể thấy được việc giảm chất ô nhiễm trong khí thải động cơ Vikyno RV125-2 là một nhu cầu cấp thiết Giảm được được thành phần độc hại trong khí thải động cơ là góp phần giảm ô nhiễm môi trường, bảo vệ và nâng cao chất lượng cuộc sống Đối với sản phẩm một sản phẩm chủ lực như động cơ RV125-2, việc cải thiện đặc tính phát thải ô nhiễm động cơ còn góp phần nâng cao khả năng xuất khẩu của động cơ cũng như tăng khả năng cạnh tranh đối với thị trường nội địa, hướng đến việc đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải trong tương lai dành cho động cơ nông nghiệp tĩnh tại tại Việt Nam Để cải giảm phát thải ô nhiễm của động cơ, nhiều biện pháp kỹ thuật nhằm tối ưu hoạt động của động cơ đã được áp dụng [6], [7] Hình

1.2 thể hiện các hướng nghiên cứu tiêu biểu trên động cơ

Hình 1.2 Các hướng nghiên cứu tối ưu hoạt động của động cơ

Chương 1: Đặt vấn đề Trang 5

1 Tác động vào quá trình nạp: để nạp tối đa không khí vào động cơ, các biện pháp có thể kế đến như tăng áp (turbo-charge), tăng số lượng van nạp

Phương pháp tăng áp nếu áp dụng cho động cơ nông nghiệp sẽ làm kết cấu động cơ trở nên phức tạp, tăng giá thành động cơ

2 Tác động về mặt nhiên liệu: a Sử dụng nhiên liệu diesel có trị số cetane cao, giảm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu: phụ thuộc rất nhiều vào chính sách khuyến khích của chính phủ, lộ trình áp dụng các tiêu chuẩn khí thải, tiêu chuẩn nhiên liệu cho động cơ diesel b Sử dụng các loại nhiên thay thế (Biodiesel, Biogas…): sử dụng nhiên liệu diesel sinh học, do sự có mặt của oxy trong nhiên liệu đã cải thiện đáng kể hiệu quả của quá trình cháy nhờ việc tăng độ đồng nhất về oxy trong hỗn hợp nhiên liệu, không khí Nhờ đó, phát thải HC, CO, PM giảm, đồng thời cũng làm tăng lượng NOx của động cơ [8] Việc áp dụng nhiên liệu mới/thay thế đòi hỏi nguồn nhiên liệu dồi dào, các chính sách khuyến khích của chính phủ

3 Tác động vào khí thải động cơ: Xử lý các thành phần độc hại trên đường ống thải động cơ bằng các bộ xử lý xúc tác: có thể sử dụng phối hợp nhiều loại bộ xử lý xúc tác để xử lý cùng lúc thành phần CO, HC (Diesel Oxidation Catalyst – DOC), NOx (Lean NOx Trap – LNT, Selective Catalytic Reduction – SCR), PM (Diesel Particualate Filter – PDF) Tuy nhiên, giá thành thành các bộ xử lý xúc tác này hiện vẫn còn ở mức cao do sử dụng các loại kim loại quý, phương pháp này khi áp dụng cho động cơ nông nghiệp sẽ đẩy giá thành động cơ lên cao

Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu

1.2.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu chính là buồng cháy động cơ Diesel một xylanh Vikyno RV125-2; đây là dòng động cơ sản xuất bởi công ty TNHH MTV Động cơ và Máy nông nghiệp Miền Nam (SVEAM) được sử dụng rộng rãi tại thị trường Việt Nam

Thông số kỹ thuật của động cơ được thể hiện chi tiết trong Hình 1.3 và Bảng 1.1

Hình 1.3 Động cơ Vikyno RV125-2 Hình 1.4 Đồ thị đặc tính ngoài của động cơ Vikyno RV125-2

Ne: Công suất tối đa (HP), Na: Công suất định mức (HP), T: moment xoắn (kgm), be: Suất tiêu hao nhiên liệu (g/HP-h)

(Nguồn: http://www.sveam.com/?id_pproductv3&lg=vn&start=0)

Chương 1: Đặt vấn đề Trang 7

Bảng 1.2 Tính năng kỹ thuật động cơ Vikyno RV125-2 (Nguồn: http://www.sveam.com/?id_pproductv3&lg=vn&start=0)

Loại 4 kỳ, 1 xilanh, nằm ngang Đường kính x hành trình piston (mm) 94 x 90

Công suất định mức (Mã lực/vòng/phút) Công suất tối đa (Mã lực/vòng/phút)

Moment cực đại (kgm/vòng/phút) 4.04/1800

Thể tích thùng nhiên liệu (l) 10.5

Suất tiêu thụ nhiên liệu (g/Mã lực/giờ) 185 Áp suất mở vòi phun(Kg/cm 2 ) 220

Dầu bôi trơn Nhớt 30 (SAE30,20,10W-30)

Thể tích dầu bôi trơn (l) 2.8

Hệ thống đốt nhiên liệu Phun trực tiếp

Hệ thống khởi động Tay quay, Khởi Động Điện

Hệ thống làm mát Két nước

Thể tích nước làm mát (l) 2.1

Kích thước:Dài x Rộng x Cao (mm) 747 x 370 x 472

Mục tiêu chính của nghiên cứu này là đề xuất và kiểm chứng các giải pháp cải tiến buồng cháy bằng phương pháp mô phỏng nhằm nâng cao quá trình hình thành hỗn hợp và sự cháy, từ đó cải thiện đặc tính phát thải động cơ vikyno RV125-2.

Phương pháp nghiên cứu

 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết :

- Sử dụng lý thuyết mô phỏng chuyên ngành về nhiệt động, lưu chất, … - Lý thuyết hình thành các chất ô nhiễm trong động cơ đốt trong

- 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 động cơ đốt trong, áp dụng trong phần mềm AVL FIRE

Chương 1: Đặt vấn đề Trang 8

- Tham khảo các báo cáo khoa học đã được công bố trong Hội nghị khoa học, Tạp chí khoa học trong và ngoài nước, các đề tài khoa học các cấp, luận văn cao học của các tác giả trong và ngoài nước

 Phương pháp mô phỏng : sử dụng phần mềm CFD-3D thương mại

AVL FIRE để xây dựng mô hình và thực hiện mô phỏng đánh giá đặc tính công suất và phát thải động cơ Vikyno RV125-2 dựa trên các dạng buồng cháy đề xuất

 Phương pháp tham khảo ý kiến chuyên gia : Tham khảo ý kiến của các chuyên gia trong và ngoài nước về lĩnh vực cải tiến động cơ nông nghiệp.

Nội dung nghiên cứu

Nội dung luận văn chia làm 5 chương, bao gồm:

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về vấn đề tính cấp thiết của đề tài, các nghiên cứu trong và ngoài nước Chương này cũng trình bày mục tiêu, nội dung, phạm vi và đối tượng nghiên cứu, phương pháp tiếp cận

Chương 2: Khái quát sự hình thành các chất gây ô nhiễm trong khí thải động cơ Các cơ sở lý thuyết về quá trình hình thành hỗn hợp, ảnh hưởng của hình dạng piston đến đặc tính khí thải động cơ Các tính năng của phần mềm AVL FIRE cũng được giới thiệu trong chương này

Chương 3: Xây dựng mô hình và mô phỏng hoạt động của động cơ Vikyno

RV125-2 với các giải pháp đề xuất cải tiến buồng cháy bằng AVL FIRE Mô hình động cơ RV125-2 hiện hữu được nghiên cứu đánh giá và làm cơ sở đối chứng

Chương 4: Trình bày kết quả nghiên cứu Kết quả đặc tính công suất và khí thải (NOx và PM) của động cơ RV125-2 với các mô hình buồng cháy cải tiến được đánh giá, so sánh với nhau và với động cơ hiện tại Từ đó, đề xuất kết cấu buồng cháy tốt nhất cho động cơ nghiên cứu

Chương 5: Kết luận và đề xuất ý kiến

Chương 1: Đặt vấn đề Trang 9

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Về ý nghĩa khoa học, kết quả của đề tài góp phần phân tích, đánh giá ảnh hưởng của hình dạng hình học buồng cháy đến đặc tính công suất và khí thải của động cơ diesel nông nghiệp 01 xylanh Vikyno RV125-2 sản xuất tại Việt Nam

Về mặt thực tiễn, các kết quả nghiên cứu là cơ sở nhằm nâng cao chất lượng dòng sản phẩm động cơ chủ lực của công ty TNHH MTV Động cơ và Máy nông nghiệp Miền Nam Xác định được hình dạng hình học buồng cháy phù hợp nhằm cải thiện đặc tính công suất và khí thải động cơ sẽ nâng cao tính cạnh tranh và gia tăng thị phần trong nước, mở rộng thị trường xuất khẩu của động cơ đối với các quốc gia có quy định khí thải nghiêm ngặt

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Cơ sở lý thuyết ảnh hưởng hình dạng buồng đốt đến sự hình thành khí thải của động cơ

Trong động cơ diesel, sự hình thành hỗn hợp nhiên liệu và không khí được diễn ra trong buồng cháy động cơ trong thời gian ngắn Hình dạng hình học của buồng cháy ảnh hưởng lớn đến chuyển động của dòng không khí bên trong buồng cháy, dẫn đến ảnh hưởng sự hình thành hỗn hợp không khí – nhiên liệu, ảnh hưởng đến thành phần khí thải trong động cơ Đối với động cơ diesel, đặc biệt là buồng cháy thống nhất phun nhiên liệu trực tiếp, hình dạng đỉnh piston ảnh hưởng lớn đến hình dạng buồng cháy và độ xoáy lốc của dòng khí buồng cháy, độ đồng đều của hỗn hợp không khí/nhiên liệu trong buồng cháy Kết cấu buồng cháy hiện hữu của động cơ Vikyno RV125-2 được thể hiện trong Hình 2.1 và Hình 2.2

Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trang 11

Hình 2.1 Hình dạng đỉnh piston hiện hữu của động cơ Vikyno RV125-2

Hình 2.2 Thông số kích thước piston động cơ Vikyno RV125-2

Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trang 12

2.1.1 Ảnh hưởng của hình dạng hình học buồng cháy đến đặc trưng dòng khí bên trong động cơ Ảnh hưởng của hình dạng hình học buồng cháy đến thông số dòng khí bên trong xylanh động cơ được thể hiện qua 2 thông số quan trọng: swirl và squish

Swirl được định nghĩa là sự chuyển động của dòng khí quanh trục của xylanh động cơ (Hình 2.3) Để so sánh sự chuyển động này giữa các động cơ khác nhau, khái nhiệm Hệ số Swirl - Swirl Ratio (SR) được đặt ra bởi [Stone, 1992]:

Các kiểu buồng cháy Bowl-in-piston và Re-entrant piston (sẽ được đề cập ở phần 2.1.4) nhằm gia tăng hệ số swirl trong kỳ nén và kỳ cháy giãn nở của động cơ Ảnh hưởng của swirl đối với quá trình hòa trộn không khí – nhiên liệu:

Trong động cơ diesel, thời gian hòa trộn giữa không khí – nhiên liệu diễn ra trong thời gian rất ngắn Gia tăng swirl (hay tăng SR) trong động cơ sẽ làm đẩy nhanh quá trình hòa trộn không khí – nhiên liệu trong xylanh Qua đó, làm giảm lượng soot sinh ra trong quá trình giãn nở, giảm tiêu hao nhiên liệu Tuy nhiên, tăng swirl cũng làm tăng sự phân bố đồng đều của nhiên liêu trong buồng cháy, làm tăng nhiệt độ buồng cháy Sự tăng nhiệt độ này là điều kiện thuận lợi để tăng lượng NOx sinh qua do quá trình cháy

Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trang 13

Squish được định nghĩa là sự chuyển động xoay của dòng khí nén trên mặt phẳng chứa đường tâm xylanh động cơ (Hình 2.4) Dòng khí nén này xuất phát từ khe hở giữa đỉnh piston và bề mặt nắp máy được dồn nén, chuyển động về phía tâm buồng cháy động cơ trong quá kỳ nén

Tương tự như swirl, việc tăng squish làm thúc đẩy quá trình hòa trộn nhanh chóng giữa không khí và nhiên liệu trong xylanh động cơ Tăng squish làm tăng lượng NOx sinh ra đồng thời làm giảm lượng CO, HC và soot sinh ra do quá trình cháy của động cơ

2.1.2 Các thông số hình học cơ bản của buồng cháy động cơ

Hình 2.5 thể hiện hình dạng tiêu biểu của buồng đỉnh piston động cơ diesel buồng cháy thống nhất phun nhiên liệu trực tiếp dạng Re-entrant Bowl (REB) piston với các thông số hình học cơ bản [9] Các thông sô hình học có ảnh hưởng trực tiếp đến việc tạo ra hỗn hợp đồng nhất trong buồng cháy động cơ

Hình 2.5 Các thông số hình học cơ bản đỉnh của buồng cháy động cơ

Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trang 14 a Đường kính họng (Throat Bowl Diameter – Dt)

Hình 2.6 Đường kính họng Đường kính họng Dt được định nghĩa là khu vực có đường kính nhỏ nhất gần mặt đỉnh piston (Hình 2.6) Tỉ số giữa đườnh kính họng và đường kính xylanh được gọi là % squish area Giảm đường kính họng sẽ làm tăng chuyển động squish của dòng khí bên trong buồng cháy động cơ b Đường kính cực đại (Maximum Bowl Diameter – Dm)

Hình 2.7 Đường kính cực đại Đường kính cực đại được định nghĩa là đường kính lớn nhất song song với mặt đỉnh piston tại bất kỳ điểm nào trên mặt cắt của buồng cháy (Hình 2.7) Đường kính cực đại là một trong các thông số quan trọng nhất đối vơi hình dạng buồng cháy Tăng đường kính cực đại sẽ làm giảm vận tốc swirl (swirl velocity) của dòng khí di chuyển bên trong buồng cháy Đường kính cực đại cũng ảnh hưởng rất nhiều đến hiện tượng dính ướt của nhiên liệu trên vách buồng cháy qua đó ảnh hưởng đến độ khói trong khí thải động cơ diesel

Tổng thể tích của buồng cháy cũng như tỉ số nén của động cơ thay đổi rất nhiều khi thay đổi đường kính cực đại Đây là một trong những thông số đầu tiên cần thay đổi trong quá trình thiết kế mới buồng cháy động cơ

Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trang 15 c Độ sâu buồng cháy (Bowl Depth – H)

Hình 2.8 Độ sâu buồng cháy Độ sâu buồng cháy được định nghĩa là độ sâu lớn nhất tính từ mặt đỉnh piston đến vị trí thấp nhất của phần hình xuyến trong buồng cháy (Hình 2.8) Độ sâu buồng 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 làm tăng hiện tượng dính ướt của tia phun lên phần bên dưới của buồng cháy d Bán kính vòng xuyến (Main Toroidial Radius – Ri)

Hình 2.9 Bán kính vòng xuyến

Phần lớn quá trình cháy của động cơ diễn ra trong khu vực hình xuyến của buồng cháy Bán kính vòng xuyến (Hình 2.9) là một trong những thông số đầu tiên cần thay đổi trong quá trình thiết kế mới buồng cháy động cơ vì phần hình xuyến này chiếm phần lớn thể tích buồng cháy Thể tích phần khí bên trong khu vực hình xuyến ảnh hưởng đến vận tốc squish của khối khí và quá trình lan truyền màn lửa e Bán kính phụ (Minor Radius – Ri)

Việc thay đổi các bán kính phụ ảnh hưởng rất ít đến thể tích buồng cháy Tuy nhiên, bán kính phụ (Hình 2.10) ảnh hưởng đến vận tốc squish, vận tốc rối của

Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trang 16 dòng khí trong buồng cháy Thay đổi thông số kích thước của bán kính phụ, cần đảm bảo tránh các điểm gây nóng, gây ứng suất nhiệt lên đỉnh piston f Khu vực trung tâm (Central pip – C)

Hình 2.11 Khu vực trung tâm

Giới thiệu về quá trình hình thành khí thải trong động cơ diesel

so sánh kiểm chứng bao gồm suất tiêu hao nhiên liệu (BSFC), hiệu suất nhiệt (BTE), đặc tính khí thải Các dạng buồng cháy được khảo khát bao gồm HCC (Hemispherical Combustion Chamber), TCC (Toroidal Combustion Chamber) và

SCC (Shallow depth Combustion Chamber), điều kiện so sánh là động cơ được hoạt động ở cùng một chế độ vận hành và tỉ số nén động cơ là không thay đổi

Hình 2.23 Các kiểu buồng cháy động cơ diesel (S Jaichander et al 2012)

Kết quả thực nghiệm cho thấy buồng cháy dạng TCC cho đặc tính công suất tốt nhất (hiệu suất nhiệt cao nhất và suất tiêu hao nhiên liệu thấp nhất) trong cả dạng buồng cháy Về khí thải buồng cháy dạng TCC cho hiệu quả hòa trông không khí/ nhiên liệu tốt nhất, nhờ đó làm giảm được lượng CO, HC và Soot nhiều hơn so với 2 dạng buồng cháy còn lại (đặc biệt ở điều kiện tải cao > 50%) Tuy nhiên, do kết cấu buồng cháy dạng TCC giúp hòa trộn nhiên liệu tốt hơn, cộng với lượng oxy sẵn có trong nhiên liệu diesel, buồng cháy dạng TCC làm động cơ sản sinh ra lượng NOx nhiều nhất trong cả 3 dạng

2.2 Giới thiệu về quá trình hình thành khí thải trong động cơ diesel Động cơ sử dụng nhiên liệu xăng truyền thống có sự hình thành hỗn hợp nhiên liệu và không khí được thực hiện trên đường ống nạp và hỗn hợp hòa khí được đưa và buồng cháy động cơ Đặc điểm này khác với động cơ sử dụng nhiên liệu diesel, quá trình hòa trộn giữa không khí và nhiên liệu được thực hiện ngày trong buồng cháy động cơ So với động cơ xăng, hệ số dư lượng không khí của động cơ diesel

Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trang 26 thay đổi trong dải rất rộng từ 1,2 đến 10 Khí thải động cơ diesel phụ thuộc nhiều vào hệ số dư lượng không khí λ Các khí thải chủ yếu trong động cơ disesel có thể kể đến như Oxide Nitơ (NOx), thành phần hạt bồ hóng (PM); ngoài ra còn có Hydrocarbon chưa cháy (HC), carbon monoxide (CO)

Hình 2.24 Thành phần khí thải động cơ diesel theo hệ số dư lượng không khí

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

CO sinh ra do quá trình cháy không hoàn toàn của hỗn hợp giàu hay do quá trình phân giải của sản phẩm cháy Nồng độ CO phụ thuộc vào mạnh vào quá trình hình thành hỗn hợp, hay nói cách khác phụ thuộc vào hệ số dư lượng không khí CO sinh nhiều ra khi quá trình cháy diễn ra trong điều kiện hỗn hợp đậm (λ 1,2), tuy nhiên vẫn có sự tồn tại của thành phần CO trong khí thải động cơ diesel (dù ít hơn nhiều so với động cơ xăng) Nguyên nhân là sự hòa trộn giữa không khí và nhiên liệu trong động cơ diễn ra trong thời gian ngắn, có sự phân bố không đồng đều của nhiên liệu trong buồng cháy, một số khu vực cục bộ quá

Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trang 27 trình cháy diễn ra trong điều kiện thiếu oxy làm sinh ra lượng CO trong khí thải động cơ

Hai phương pháp tính toán nồng độ CO [1]: a Tính toán nồng độ CO trong điều kiện nhiệt động học cân bằng

Phản ứng hóa học giữa nhiên liệu hydrocarbon với không khí trong trường hợp tổng quát có thể viết dưới dạng:

Trong đó q là tổng số các thành phần sản vật cháy và xi là thành phần mol của chất i trong sản vật cháy Phương trình trên cho thấy để nhận được 1 mol sản vật cháy cần có a mol nhiên liệu tham gia phản ứng với 1/Φ lần lượng không khí lý thuyết Trong trường hợp đầy đủ có thể xem trong sản vật cháy có 12 chất với chỉ số i=1 12 Các sản phần bao gồm:

Trạng thái cân bằng nhiệt động của các chất trên được biểu diễn ở 7 phương trình phản ứng sau: ẵ H2 H (2) ẵ O2  O (3) ẵ N2  N2 (4)

Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trang 28

Hằng số cân bằng của các phản ứng (2) đến (8) lần lượt là:

Chúng ta có 13 phương trình: 5 phương trình cân bằng số nguyên tử, 7 phương trình hằng số cân bằng phản ứng và phương trình tổng số mol sản phẩm cháy:

  (16) ứng với 13 ẩn số: thành phần mol của 12 chất xivà số mol nhiên liệu tham gia phản ứng a b Tính toán nồng độ CO trong khí xả theo động học phản ứng

Phản ứng chủ yếu khống chế sự hình thành và phân giải CO và CO2 được viết như sau:

Mặc khác, sự hình thành và phân giải CO, CO2 cũng có thể diễn biến theo phản ứng sau:

Tuy nhiên, tốc độ phản ứng này rất bé nên không ảnh hưởng tới nồng độ chung của CO trong sản phẩm cháy Vì vậy, nồng độ CO được khống chế chủ yếu bởi ứng đầu tiên Hằng số cân bằng của phản ứng này được viết như sau:

Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trang 29

Trên cơ sở phân tích trên, tốc độ tạo CO trong buồng cháy động cơ được tính toán theo biểu thức:

Hình 2.25 So sánh nồng độ CO trong sản phẩm cháy tính theo động học cân bằng và theo động học phản ứng

Trong buồng cháy động cơ đốt trong, người ta có thể xem hỗn hợp cháy ở trạng thái cân bằng nhiệt động từ lúc bắt đầu đến khi kết thúc quá trình cháy Sự cân bằng liên tục của hỗn hợp sản phẩm cháy trong suốt quá trình giãn nở chỉ có thể diễn ra khi tốc độ oxy hóa CO tăng đáng kể Tuy nhiên, những kết quả phân tích khí động cơ cho thấy nồng độ CO có mặt trên đường ống xã gần với giá trị cân bằng của nó tính ở nhiệt độ cháy hơn là tính ở nhiệt độ cuối quá trình giãn nở Nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến cơ chế động học của phản ứng tạo thành CO Hình 2.25 giới thiệu biến thiên của nồng độ CO theo độ đậm của nhiên liệu (Φ) tính toán theo điều kiện cân bằng nhiệt động học và theo động học phản ứng

Do nguyên lý làm việc của động cơ Diesel, thời gian lưu lại của nhiên liệu trong buồng cháy ngắn hơn trong động cơ đánh lửa cưỡng bức nên thời gian dành cho việc hình thành sản phẩm cháy không hoàn toàn cũng rút ngắn làm giảm thành phần HC cháy không hoàn toàn trong khí xả [1]

Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trang 30

Khi tăng hệ số dư lượng không khí λ, nhiệt độ cháy giảm nên lượng nhiên liệu chưa cháy sẽ tăng, làm tăng lượng HC trong khí thải động cơ

Quá trình cháy trong động cơ Diesel diễn ra đồng thời sự bay hơi nhiên liệu và hòa trộn nhiên liệu với không khí và sản phẩm cháy Khi độ đậm đặc trung bình của hỗn hợp quá lớn hay quá bé đều làm giảm khả năng tự cháy và lan tràn màng lửa

Trong trường hợp đó nhiên liệu sẽ được tiêu thụ từng phần trong những phản ứng oxy hóa diễn ra chậm ở giai đoạn giãn nỡ sau khi hòa trộn thêm không khí

Có thể chia ra hai khu vực đối với bộ phận nhiên liệu được phun vào buồng cháy trong 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 Trong trường hợp đó, chủ yếu là khu vực hỗn hợp quá nghèo diễn ra sự cháy không hoàn toàn 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 trễ, sự oxy hóa nhiên liệu hay các sản phẩm phân hủy nhiệt diễn ra nhanh chóng khi chúng dịch chuyển trong khối khí ở nhiệt độ cao Tuy nhiên sự hòa trộn không đồng đều có thể làm cho hỗn hợp quá giàu cục bộ dẫn đến sự làm mát đột ngột làm tắt màng lửa, sinh ra các sản phẩm cháy không hoàn toàn trong khí xả

Cuối cùng, khác với động cơ đánh lửa cưỡng bức, không gian chết trong động cơ Diesel không gây ảnh hưởng quan trọng đến nồng độ HC trong khí xả vì trong quá trình nén và giai đoạn đầu của quá trình cháy, các không gian chết chỉ chứa không khí và khí sót Ảnh hưởng của lớp dầu bôi trơn trên mặt gương xylanh, ảnh hưởng của lớp muội than trên thành buồng cháy cũng như ảnh hưởng của sự tôi màng lửa đối với sự hình thành HC trong động cơ Diesel cũng không đáng kể so với trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức

Giới thiệu phần mềm AVL FIRE

2.3.1 Khái quát về phần mềm AVL FIRE

AVL FIRE là phần mềm của hãng AVL Gmbh dùng để giải quyết các vấn đề trong động cơ đốt trong liên quan đến động lực học chất lỏng (CFD) [10] Tính toán chính xác những mô hình vậy lý dùng để mô phỏng và phân tích động cơ trong FIRE đã được thừa nhận rộng rãi ở nhiều nơi trên thế giới

FIRE cho phép xây dựng các mô hình tính toán:

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

- Quá trình xé nhỏ tia phun - Sự lan truyền tia phun - Sự hình thành hỗn hợp nhiên liệu và không khí - Tính chất của lớp màng nhiên liệu (wallfirm behavior) - Đánh lửa

- Sự lan truyền của ngọn lửa - Sự hình thành các chất độc hại trong khí thải động cơ - Các quá trình động hóa học bên trọng bộ xử lý xúc tác - Quá trình sấy nóng các dòng nước làm mát

Ngoài ra, nhờ các giao diện trực tiếp, rõ ràng với mô hình chu trình nhiệt động 1D và tự dộng kết nối với các phần mềm phần tử hữu hạn (FEM) thông dụng sẽ đảm bảo việc tính toán các quá trình trao đổi chất và phân tích ứng suất nhiệt chính xác Người dùng có thể tự định nghĩa các thuật ngữ liên quan với các hiện tượng vật lý và hóa học, mô tả và tính toán mô hình với các phần tử này

Module mô phỏng quá trình cháy trong AVL FIRE dùng để tính toán quá trình hòa trộn hoặc chuyển động của các thành phần trong hỗn hợp và mô phỏng quá trình cháy trong động cơ đốt trong hoặc các thiết bị nhiệt kỹ thuật khác xảy ra trong điều kiện chuẩn bị hỗn hợp, chuẩn bị hỗn hợp một phần hoặc không chuẩn bị

Module có 3 nội dung mô phỏng chính là mô phỏng quá trình cháy (Combustion

Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trang 35 models), mô hình mô phỏng sự hình thành NOx (NOx formation models) và mô hình sự hình thành bồ hóng và oxy hóa (Soot formation and oxidation model)

AVL FIRE đưa ra 5 loại mô hình quá trình cháy khác nhau với độ phức tạp khác nhau để người dùng có thể lựa chọn tùy theo mục đích nghiên cứu của mình Các mô hình đề xét tới sự ảnh hưởng của rối tới tốc độ phản ứng trung bình [11] Các mô hình cháy: a Mô hình cháy có kiểm soát rối (Turbulence Combustion Model)

Mô hình này dựa trên khái niệm độ khuyếch tán rối, trong đó giả thiết tốc độ phản ứng rối trung bình được xác định trên tốc độ hòa trộn giữa các chất tham gia phản ứng nguội với các sản phẩm cháy nóng, hay chính là tốc độ khuyếch tán rối

Tốc độ phản ứng trung bình được viết như sau: ρṙ̅ = C fu τ R ρ̅min⁡( y̅̅̅̅, fu y̅ vx S , C Pr 1+S y ̅̅̅̅̅ Pr ) (27) Trong đó :

- 𝐶 𝑓𝑢 và 𝐶 𝑃𝑟 là các hệ số thực nghiệm Giá trị của 𝐶 𝑓𝑢 phù thuộc vào mức độ rối và thành phần nhiên liệu

- 𝜏 𝑅 là thời gian hòa trộn rối cho phản ứng b Mô hình tốc độ cháy rối (Turbulence Flame Speed Closure Model)

Mô hình này thường dùng để mô phỏng các quá trình hình thành hỗn hợp đồng nhất hoặc không đồng nhất trong động cơ xăng Tốc độ cháy trung bình được tính toán dựa trên giả thiết tốc độ cháy phù thuộc vào các tham số cháy rối như cường độ rối, khích thước dòng chảy rối, cấu trúc ngọn lửa như tốc độ lan tràn ngọc lửa, chiều dày ngọn lửa Tốc độ phản ứng được xác định theo 2 cơ chế khác nhau là cơ chế tự cháy (auto- ignition) và cơ chế lan truyền ngọn lửa

Tốc độ phản ứng được xác định như sau:

Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trang 36

- 𝜔 𝐴𝐼 là tốc độ phản ứng tự cháy

- 𝜔 𝑃𝑃 là tốc độ phản ứng theo cơ chế lan truyên truyền ngọn lửa, được tính theo khối lượng riêng của khí,tốc độ cháy rối ST và gradient thành phần khối lượng nhiên liệu∇y (𝑢𝑣) :

𝜔 𝑃𝑃 = 𝜌ST∇y (𝑢𝑣) (29) c Mô hình ngọn lửa liên kết (Coherent Flame Model)

Mô hình được xây dựng dựa trên giả thiết ngọn lửa rối được tạo bởi nhiều đốm lửa nhỏ hơn kích thước và thời gian của ngọn lửa chảy rối Mô hình CFM coi các phản ứng chỉ xảy ra trong các lớp đủ mỏng để có thể tách riêng được khí chưa cháy và khí đã cháy hoàn toàn

Với các giả thiết trên, tốc độ phản ứng rối trung bình được tính như sau:

Trong đó 𝜔 𝐿 là tốc độ tiêu thụ nhiên liệu chảy tầng trung bình trên một đơn vị diện tích, trong vùng ngọn lửa Trường hợp hỗn hợp nghèo thì 𝜔 𝐿 được tính bằng :

𝜔 𝐿 = 𝜌 𝑓𝑢,𝑓𝑟 SL với 𝜌 𝑓𝑢,𝑓𝑟 = 𝜌 𝑓𝑟 𝑦 𝑓𝑢,𝑓𝑟 (31) - 𝜌 𝑓𝑢,𝑓𝑟 là khối lượng riêng của phần liên liệu trong hỗn hợp chưa cháy - 𝜌 𝑓𝑟 là khối lượng riêng của khí chưa cháy

- 𝑦 𝑓𝑢,𝑓𝑟 là thành phần của khối lượng nhiên liệu trong hỗn hợp của nhiên liệu chưa cháy

Có ba mô hình CFM thường được sử dụng: mô hình CFM tiêu chuẩn, mô hình MCFM áp dụng cho trường hợp hỗn hợp rất giàu hoặc nghèo và mô hình ECFM được gắn với module mô hình tia phun dùng để mô phỏng các hiện tượng xảy ra bên trong buồng cháy động cơ xăng phun trực tiếp d Mô hình hàm xác suất (Probability Density Function)

Mô hình tính toán này được thiết lập trong trường hợp cần xét đến những ảnh hưởng liên tục đồng thời của thành phần hóa học và độ rối với tốc độ phản ứng

Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trang 37

Ngoài ra, mô hình PDF có thể cung cấp toàn bộ số liệu của các đại lượng vô hướng có mặt trong mô hình tính

Trong mô hình này, nhiệt hóa học của hỗn hợp tham gia phản ứng được thể hiện bằng một số thông số diễn biến phản ứng (có quan hệ với yfu) tỷ lệ hỗn hợp f và enthalpy tính đến các ảnh hưởng của quá trình nén đa biến và nén không đoạn nhiệt tới nhiệt độ

Thông số diễn biến phản ứng được định nghĩa là:

XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY ĐỘNG CƠ VIKYNO RV125-2 BẰNG PHẦN MỀM AVL FIRE

Mô hình hóa và mô phỏng hoạt động động cơ Vikyno RV125-2 với buồng cháy hiện hữu

Tương tự như các phần mềm CFD khác, động cơ Vikyno RV125-2 được mô hình hóa bằng phần mêm AVL FIRE thông qua 3 bước: Pre-processing, Processing và Post-processing được tóm tắt trong Hình 3.1

ESE là một công cụ mô phỏng CFD trong AVL FIRE giúp người dùng thiết lập, thực hiện, phân tích quá trình phun nhiên liệu và quá trình cháy diễn ra trong động cơ diesel với độ chính xác và độ tin cậy cao Quá trình xây dựng mô hình bằng công cụ ESE Diesel được thực hiện lần lượt qua các bước [10]:

Chương 3 Mô hình hóa động cơ Trang 54

Hình 3.1 Lưu đồ mô hình hóa và mô phỏng động cơ với AVL FIRE sử dụng ESE

Chương 3 Mô hình hóa động cơ Trang 55

3.1.1.1 Các thông tin cơ bản về động cơ

Các thông số ban đầu được trình bày trong Hình 3.2, bao gồm:

- Kiểu bố trí xylanh (thẳng hàng, chữ V) - Số lượng xylanh

- Các thông số kết cấu: Đường kính piston, tỷ số nén, bán kính quay của trục khuỷu, chiều dài thanh truyền, độ lệch tâm giữa đường tâm xylanh và đường tâm chốt piston

Hình 3.2 Thiết lập các thông số chung của động cơ

3.1.1.2 Phát thảo hình dạng đỉnh piston (Sketcher) – Hình 3.3

Sketcher trong ESE diesel được định nghĩa và phần đường bao khu vực đỉnh piston (bao gồm cả phần đỉnh kim phun)

Hình 3.3 Xây dựng hình dạng hình học buồng cháy

Người sử dụng có quyền lựa chọn sự dụng các dạng buồng cháy đề xuất sẵn có hoặc tự xây dựng nên dạng buồng cháy phù hợp với động cơ cần mô phỏng

Trong nghiên cứu này, hình dạng piston được quét 3D, qua đó hình dạng hình học này được đưa trực tiếp (import) vào phần mềm AVL FIRE

Chương 3 Mô hình hóa động cơ Trang 56

3.1.1.3 Chia lưới mô hình (Hình 3.4)

Chia hình dạng hình học đã xây dựng thành các phần tử nhỏ theo các lưới có kích thước tùy chọn Quá trình chia lưới được thực hiện theo 2 bước: lưới 2D và lưới 3D Các thông số chính liên quan đến việc chia lưới:

- Số lớp biên - Chiều dày các lớp biên

- Kích thước trung bình của các ô chia lưới

- Thể tích bù (Compensation volmue): là phần thể tích không được xét đến khi nhập các thông số hình học cho phần đã phát thảo (sketcher) như sự lồi/lõm của xupap, vòi phun hoặc các chi tiết hình học khác

Hình 3.4 Chia lưới mô hình

Chất lượng lưới chia được kiểm tra ngay trong phần mềm sau khi quá trình chia lưới kết thúc Nếu lưới chia không tốt, bài toán sẽ không hội tụ, cần điều chỉnh lại các thông số quá trình chia lưới cho đến khi chất lượng lưới tốt

3.1.1.4 Thiết lập các tham số mô hình hóa

Các thông số bao gồm:

- Thông số giới hạn quá trình tính toán:

Chương 3 Mô hình hóa động cơ Trang 57 o Chế độ chạy: chạy tĩnh, chạy theo thời gian hoặc theo góc quay trục khuỷu o Giới hạn góc quay trục khuỷu cần mô phỏng, giá trị vận tốc quay của động cơ o Các module tính toán sẽ dùng cho mô hình (mudule activation) trong tổng cộng 15 module có sẵn trong chương trình

- Các thông số điều kiện biên (Boundary conditions) và điều kiện ban đầu của mô hình (Initial connditions)

- Các thông số điều khiển quá trình tính toán (Solver control): các thông số để rời rạc hóa, tuyến tính hóa, lược đồ sai phân, giải hệ phương trình vi phân, các điều kiện hội tụ Các thông số này quyết định giải được bài toán (bài toán hội tụ)

Các thông số nhập cụ thể của quá trình pre-processing được thể hiện trong phụ lục 2 của nghiên cứu này

Quá trình chạy mô phỏng (Hình 3.5) được thực hiện sau khi đã xác lập toàn bộ các thông số liên quan đến động cơ, điều kiện biên, phương pháp tính Các kết quả tính toán có thể xuất ra dưới dạng đồ thị hoặc dưới dạng bảng kết quả (Report)

Hình 3.5 Quá trình chạy mô phỏng

Chương 3 Mô hình hóa động cơ Trang 58

Sau khi quá trình tính toán kết thúc (hội tụ) Các kết quả ban đầu về công suất và khí thải động cơ cần được so sánh với kết quả động cơ thực nghiệm Đây và bước quan trọng để xác thực tính chính xác của mô hình trước khi tiếp tục xuất các các kết quả bên trong buồng cháy động cơ

3.1.3 Post-processing Đối với AVL FIRE, việc trích xuất và thể hiện kết quả, ngoài dạng đồ thị và bảng biểu (Hình 3.6), còn thể có thể được xuất dưới dạng hình ảnh 3 chiều bên trong buồng cháy động cơ (Hình 3.7 đến 3.9) Các dạng hình ảnh bảo gồm quá trình phun và bay hơi nhiên liệu, quá trình hình thành NOx và quá trình hình thành Soot

Hình 3.6 Trích xuất kết quả dạng đồ thị hoặc bảng kết quả

Hình 3.7 Nồng độ bay hơi nhiên liệu và phân bố nhiệt độ (10 0 GQTK sau ĐCT)

Hình 3.8 Phân bố nhiệt độ và nồng độ NO x (20 0 GQTK sau ĐCT)

Chương 3 Mô hình hóa động cơ Trang 59

Hình 3.9 Phân bố độ bay hơi nhiên liệu và nồng độ Soot (20 0 GQTK sau ĐCT)

Các thông tin về quá tình mô hình hóa động cơ được thể hiện chi tiết trong phụ lục 2 của nghiên cứu Phần tiếp theo sẽ trình bày về kết quả công suất và khí thải động cơ sau khi tính toán mô phỏng và được so sánh với kết quả thực nghiệm tại các điểm vận hành n = 2400 v/ph, n = 1800 v/ph (tải 100% - 75%)

Đề xuất một số giải pháp buồng cháy cải tiến cho động cơ và mô phỏng

Dựa trên các nghiên cứu đã được tổng hợp ở phần 2, trong nghiên cứu này, 6 kiểu hình dạng buồng cháy tương ứng với 6 phương án piston sẽ được kiểm nghiệm thông qua phần mềm mô phỏng số AVL FIRE Piston 1 (tương ứng với hình dạng buồng cháy hiện hữu của động cơ) đã được thử nghiệm kiểm tra đặc tính công suất và khí thải [4], [5] Các thông số hình học cơ bản của buồng cháy được thể hiện trong ở Hình 3.10 và Bảng 3.1; các bản vẽ chế tạo của các kiểu piston được nêu trong phụ lục 4

Hình 3.10 Các phương án piston

Chương 3 Mô hình hóa động cơ Trang 60

Bảng 3.1 Các phương án piston

STT Thông số hình học

Kích thước (mm) Hình ảnh Thể tích (mm 3 )

Piston hiện hữu - Phương án 1

Thể tích: 36,94 cm 3 Tỉ số nén: 18,00

Phương án 2 Thể tích: 36,88 cm 3

Phương án 3 Thể tích: 36,82 cm 3

Chương 3 Mô hình hóa động cơ Trang 61

Phương án 4 Thể tích: 36.79 cm 3

Phương án 5 Thể tích: 36.67 cm 3

Phương án 6 Thể tích: 36,73 cm 3

Chương 3 Mô hình hóa động cơ Trang 62

3.2.1 Phương án piston số 1 (piston hiện hữu)

Hình dạng piston hiện hữu (Bảng 3.1) là piston đang được sản xuất và sử dụng trên động cơ thực nghiệm Từ các kết quả thực nghiệm về công suất và khí thải, phương án piston hiện hữu có hình dạng chưa phù hợp, hình chiếu bằng bát giác góc cạnh, tạo ra những vùng vận tốc cục bộ thấp Qua đó làm giảm hiệu quả hoàn trộn giữa không khí và nhiên liệu Phương án piston hiện hữu có thể tích buồng cháy 36.94 mm 3 – tương ứng với tỉ số nén ε :1 Piston hiện hữu được scan 3D; qua đó, có thể tính toán chính xác được thể tích buồng cháy của piston Tỉ số nén này sẽ giữ làm tiêu chuẩn, các phương án cải tiến khác sẽ hướng đến thể tích buồng cháy và tỉ số nén này

Dựa trên hình dạng cơ bản mặt cắt của phương án piston 1, điểm khác biệt giữa phương án 1 và phương án 2 là hình chiếu bằng Phương án 2 có hình chiếu bằng dạng tròn, đường kính 50 mm, độ sâu buồng cháy được tăng từ 15,25 lên 17 mm Việc giảm đường kính và tăng độ sâu buồng cháy đượng kỳ vọng sẽ làm tăng hệ số squish khi piston ở gần vị trí điểm chết trên, qua đó làm tăng vận tốc dòng khí, tăng quá trình hòa trộn đồng đều giữa không khí và nhiên liệu Piston phương án 2 tạo ra thể tích buồng cháy 36,88 mm 3 , tỉ số nén 18,03 (tăng 0,17%)

Piston phương án 3 có dạng hình trụ, độ sâu buồng cháy 12 mm, đường kính họng được gia tăng từ 53 lên 55 mm (tăng 3,8%) nhằm giữ tỉ số nén động cơ Ưu điểm của dạng buồng cháy này là khả năng chế tạo dễ dàng so với các phương án khác Tuy nhiên, tác động của hình dạng buồng cháy đến chuyển động dòng khí bên trong xylanhvà đặc tính công suất, khí thải động cơ cần được kiểm chứng Điều này sẽ được thực hiện ở chương 4 Thể tích của buồng cháy ứng với piston dạng này là 36,82 mm, tỉ số nén 18,06 (tăng 0,33%)

Với phương án 4, phần diện tích phẳng ở đáy buồng cháy được giảm xuống mức tối thiểu, đường kính họng tăng từ 53 lên 54 mm (tăng 1,8%) nhằm giữ tỉ số

Chương 3 Mô hình hóa động cơ Trang 63 nén động cơ Hình dạng buồng cháy 4 được thiết kế phù hợp với chuyển động của dòng khí trong xylanh động cơ, tăng tốc độ chuyển động của dòng khí, tăng tốc độ hòa trộn không khí – nhiên liệu Thể tích buồng háy tương ứng với dạng piston này là 36,79 mm 3 , tỉ số nén 18,07 (tăng 0,39%)

3.2.5 Phương án piston số 5 Đây là dạng piston REB tiêu biểu, đường kính họng được lựa chọn ở 51 mm, đường kính cực đại 54 mm Do đường kính họng được thu hẹp, bán kính vòng xuyến được tăng lên từ 5 lên 9 mm nhằm đảm bảo tỉ số nén động cơ được giữ nguyên Với hình dạng kiểu REB, là hình dạng buồng cháy nhằm mục đích tăng cường chuyển động swirl của dòng khí trong xylanh, phương án piston thứ 5 được kỳ vọng sẽ cải thiện tốc độ hòa trộn của không khí và nhiên liệu trong xylanh động cơ.Thể tích buồng cháy 36,67 mm 3 , tỉ số nén 18,09 (tăng 0,5%)

Piston phương án 6 được thiết kế dựa trên hình dạng piston D của Arturo de Resi (2003) [14] Với hình dạng này, độ sâu buồng cháy được giữ nguyên, đường kính sẽ tăng dần từ bán kính vòng xuyến đến vị trí họng piston, đường kính họng cũng là đường kính lớn nhất đạt 60 mm, piston được kỳ vọng sẽ giảm lượng soot phát sinh do quá trình cháy của động cơ Thể tích buồng cháy ứng với piston dạng này là 36,73 mm 3 , tỉ số nén 18,08 (tăng 0,44%)

Chương 3 Mô hình hóa động cơ Trang 64

Kiểm tra sự phù hợp giữa mô hình mô phỏng và kết quả thực nghiệm động cơ RV125-2

3.3.1 Đo thực nghiệm đặc tính công suất và khí thải động cơ

Sơ đồ bố trí thử nghiệm động cơ được thể hiện trên Hình 3.11 và Hình 3.12

Hình 3.11 Sơ đồ thử nghiệm động cơ Vikyno RV125-2

Chương 3 Mô hình hóa động cơ Trang 65

Hình 3.12 Bố trí các thiết bị thử nghiệm động cơ Động cơ Vikyno RV125-2 được vận hành theo chu trình thử nghiệm ISO 8178-C1 Động cơ được đặt trên băng thử công suất động cơ, công suất động cơ sinh ra từ bánh đà được dùng để vận hành máy phát điện thông qua hệ thống dây đai răng Điện năng phát sinh từ máy phát sẽ được hệ thống điện trở nhiệt tiêu thụ Tải đặt lên động cơ được điều chỉnh thông qua bộ điều khiển tải

Khi động cơ vận hành ổn định tại từng điểm trong chù trình, các thông số vận hành và thông số về khí thải sẽ được đo đạc được (Hình 3.13) bao gồm:

- Các thông số nhiệt độ: các cảm biến nhiệt độ dùng để đo nhiệt độ khí xả, nhiệt độ nước làm mát, nhiệt độ khí nạp, nhiệt độ dầu bôi trơn

- Tốc độ động cơ được đo thông qua cảm biến quang học AUTONICS E50S8- 360-3-T-24

- Áp suất xylanh đo được từ cảm biến AVL GU21C

- Đối với khí nạp: lưu lượng khí nạp được đo thông qua thiết bị đo lưu lượng khí nạp ABB Sensyflow

- Đối với khí thải động cơ: các thông số cần đo bao gồm lưu lượng khí thải được đo bằng Hệ thống đo lưu lượng khí thải Thành phần khí thải động cơ

Chương 3 Mô hình hóa động cơ Trang 66 diesel được đo bằng Thiết bị đo độ mờ khói AVL Dismoke 4000; các thành phần còn lại bao gồm CO, HC, NOx được đo từ thiết bị đo và phân tích khí thải AVL SESAM i60 FT

- Lượng nhiên liệu tiêu thụ được đo bằng cân điện tử độ chính xác cao Sartorius TE6101

Thực nghiệm được tiến hành sau khi đã thiết lập các thông số ổn định (nhiệt độ nước làm mát động cơ, nhiệt độ dầu, tốc độ động cơ tại mỗi điểm đo….) Mỗi chu trình đo được tiến hành 3 lần, và kết quả thực nghiệm là kết quả trung bình của 3 lần đo

Hình 3.13 Các thiết bị sử dụng trong thử nghiệm động cơ RV125-2

(a) Thiết bị đo lưu lượng khí nạp ABB Sensy Flow (b) Thiết bị đo độ mờ khói AVL Dismoke 4000 (c) Cảm biến quang học AUTONICS E50S8-360-3-T-24

(d) Cân Sartorious TE6101 (e) Cảm biến đo áp suất xylanh AVL GU21C (f) Thiết bị phân tích khí thải AVL SESAM i60FT

Chương 3 Mô hình hóa động cơ Trang 67

3.3.2 Định chuẩn (Validation) mô hình mô phỏng Để đảm bảo độ tin cậy của mô hình mô phỏng, các thông số ban đầu (tỷ lệ

A/F, nhiệt độ, áp suất đầu vào, ) của mô hình được tham khảo từ thực nghiệm động cơ RV125-2 trên băng thử công suất Các giá trị công suất, khí thải và áp suất xylanh từ mô hình động cơ được đánh giá so sánh với kết quả thực nghiệm

Theo chu trình thử ISO 8178 C1, kết quả từ thực nghiệm [4], [5] cho thấy các điểm đo 1, 2, 5, 6 lượng khí thải phát sinh là nhiều nhất và có ảnh hưởng lớn đến kết quả khí thải cuối cùng của động cơ khi vận hành theo chu trình thử Theo đó, điều kiện hoạt động của động cơ mô phỏng sẽ dựa theo điều kiện của 4 điểm vận hành này, các kết quả về công suất và khi thải giữa động cơ mô phỏng và thực nghiệm được so sánh với nhau Riêng đối với thông số áp suất xylanh, để có thể xác định được chính xác thông số áp suất này cần sự hoạt động ổn định của động cơ trong thời gian dài, điều kiện tải 80% tại các tốc độ 2400 và 1800 vòng/phút được lựa chọn

Kết quả cho thấy có sự đồng nhất cao giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm của áp suất trong xylanh (Hình 3.14) và sự hình thành khí thải (Hình 3.13) Độ chênh lệch của khí thải giữa mô phỏng và thực nghiệm là nhỏ (