Nghiên cứu sử dụng LPG làm nhiên liệu thay thế trên động cơ diesel hiện hành (tóm tắt)

Mục đích nghiên cứu của đề tài Đánh giá được khả năng sử dụng LPG làm nhiên liệu thay thế trên các động cơ diesel hiện hành qua đánh giá ảnh hưởng của LPG đến tính năng kinh tế, kỹ thuậ

-1-

MỞ ĐẦU

Hiện nay, số lượng phương tiện giao thông và thiết bị động lực trang bị động cơ diesel ngày càng tăng cao Điều này dẫn đến sự cạn kiệt nhanh nguồn nhiên liệu truyền thống và gây ô nhiễm môi trường trầm trọng Mặt khác, tiêu chuẩn về khí thải động cơ thì ngày càng ngặt nghèo

Vì vậy, cần nghiên cứu và sử dụng các loại nhiên liệu thay thế có mức độ phát thải độc hại thấp để một mặt giảm ô nhiễm môi trường, mặt khác có thể

bù đắp phần nhiên liệu truyền thống đang bị thiếu hụt Trong các loại nhiên liệu thay thế được ưu tiên sử dụng, LPG là nhiên liệu có tiềm năng lớn, đáp ứng được các yêu cầu trên

Sử dụng LPG trên động cơ diesel sẽ tận dụng được tính ưu việt về hiệu suất cao của động cơ, đồng thời giảm phát thải, đặc biệt là phát thải khói bụi, thành phần phát thải quan trọng và rất khó xử lý của động cơ Vì vậy, đề tài

“Nghiên cứu sử dụng LPG làm nhiên liệu thay thế trên động cơ diesel hiện hành” hướng tới g p phần giải quyết các yêu cầu trên của thực tiễn

i Mục đích nghiên cứu của đề tài

Đánh giá được khả năng sử dụng LPG làm nhiên liệu thay thế trên các động cơ diesel hiện hành qua đánh giá ảnh hưởng của LPG đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel khi chạy lưỡng nhiên liệu LPG/diesel

Đưa ra được giải pháp chuyển đổi động cơ diesel hiện hành sang chạy lưỡng nhiên liệu LPG/diesel

ii Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là động cơ diesel hiện hành, đại diện là động cơ AVL 5402 trang bị hệ thống phun nhiên liệu kiểu tích áp (common Rail) và động cơ D1146TI trang bị hệ thống cung cấp nhiên liệu truyền thống hiện đang được sử dụng phổ biến trên các xe khách tại Hà Nội

Việc nghiên cứu và thực nghiệm được thực hiện trong phòng thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trường đại học Bách khoa Hà Nội

iii Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu phương pháp cung cấp nhiên liệu LPG/diesel và tạo hỗn hợp trong động cơ

- Nghiên cứu đặc điểm quá trình cháy và hình thành phát thải của động cơ LPG/diesel

- Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ LPG thay thế đến tính năng kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ

- Nghiên cứu ảnh hưởng của việc sử dụng LPG đến góc phun sớm tối ưu của động cơ

- Đánh giá sự làm việc ổn định của động cơ chạy lưỡng nhiên liệu LPG/diesel khi lắp lên xe khách

iv Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm

- Lý thuyết: Nghiên cứu xây dựng mô hình lý thuyết mô tả quá trình tạo hỗn hợp, quá trình cháy và hình thành phát thải của động cơ LPG/diesel Trong đ , sử dụng phần mềm AVL BOOST kết hợp lập trình trên ngôn ngữ FORTRAN để tính toán các thông số quá trình cháy và phát thải của động cơ; phân tích kết quả và định hướng cho nghiên cứu thực nghiệm

- Thực nghiệm: Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của áp suất phun LPG, tỷ lệ LPG thay thế và g c phun sớm diesel đến đặc tính kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel và đề xuất tỷ lệ LPG thích hợp

Ứng dụng giải pháp nghiên cứu trên xe khách đánh giá sơ bộ khả năng ứng dụng của kết quả nghiên cứu vào thực tế

v Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

- Phân tích và mô phỏng được quá trình hình thành hỗn hợp, quá trình cháy và hình thành phát thải trong động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel

- Đánh giá được ảnh hưởng của tỷ lệ LPG và góc phun sớm đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel hiện hành sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel, từ đ lựa chọn được các giá trị hợp lý đảm bảo sự hài hòa các tính năng động cơ

- Đưa ra giải pháp khả thi chuyển đổi động cơ diesel hiện hành sang sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel

- Góp phần giảm kh i bụi và NOx là các thành phần phát thải quan trọng

và khó xử lý, giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu truyền thống, cũng như định hướng trong việc nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu thay thế trên các phương tiện giao thông sử dụng động cơ đốt trong

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Đặc điểm của LPG

LPG là tên viết tắt của khí dầu mỏ hoá lỏng (Liquefied Petroleum Gas) LPG tồn tại trong thiên nhiên ở các giếng dầu hoặc giếng gas và cũng c thể sản xuất ở các nhà máy lọc dầu Thành phần chính của LPG là butan (C4H10)

và bropan (C3H8) chiếm tới 99%, còn lại là một số thành phần hydrocacbon khác Tỷ lệ giữa propan và butan thay đổi giữa các quốc gia cũng như thời điểm sản xuất

LPG là loại nhiên liệu có thể dễ dàng được chuyển đổi sang thể lỏng bằng việc tăng áp suất thích hợp hoặc giảm nhiệt độ để dễ tồn trữ và vận chuyển Ngoài ra, LPG còn có nhiệt trị cao hơn so với các loại nhiên liệu truyền thống như xăng và dầu diesel

1.1.1 Tính chất lý hóa của LPG

-3-

Ở nhiệt độ lớn hơn 0 C trong môi trường áp suất bằng áp suất khí quyển, LPG bị biến đổi từ thể lỏng thành thể hơi Tỷ trọng LPG nhẹ hơn so với nước, đối với butan từ 0,55 - 0,58 lần, propan từ 0,5 - 0,53 lần LPG lỏng gây bỏng nặng trên da khi tiếp xúc trực tiếp, nhất là với dòng LPG rò rỉ trực tiếp vào

da Nhiệt độ của LPG khi cháy rất cao từ 1900oC÷1950oC

1.1.2 Ưu điểm của LPG so với các loại nhiên liệu truyền thống

LPG có trị số octan nghiên cứu cao hơn so với xăng không chì từ 5-12 đơn

vị Vì vậy, LPG rất có lợi thế khi muốn tăng hiệu suất nhiệt và tăng công suất động cơ Trong sử dụng, LPG không ăn mòn các thiết bị liên quan Việc sử dụng LPG làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong góp phần thay thế một phần nhiên liệu truyền thống đang ngày càng cạn kiệt và giảm phát thải ô nhiễm môi trường

1.1.3 Tình hình sản xuất LPG

1.1.3.1 Tình hình sản xuất LPG trên thế giới

Tổng nguồn cung LPG trên thế giới năm 2008 đạt 239 triệu tấn Năm

2013, tổng công suất khai thác và sử dụng LPG của thế giới đạt 260 triệu tấn

Dự báo đến năm 2015 năng suất khai thác có thể đạt 291,7 triệu tấn

1.1.3.2 Tình hình sản xuất LPG ở Việt nam

Hiện nay, ở Việt Nam có thể tạm chia ra 4 cụm khai thác khí quan trọng:

Ở vùng đồng bằng Bắc Bộ, vùng biển Cửu Long, vùng biển Nam Côn Sơn và thềm lục địa Tây Nam cùng các nhà máy như nhà máy lọc dầu Dung Quất, Dinh Cố với tổng sản lượng trên 600.000 tấn cho nhu cầu sử dụng LPG trong nước

1.2 Tình hình nghiên cứu sử dụng LPG cho động cơ đốt trong

Với sức ép về bảo vệ môi trường cộng với các ưu điểm của LPG là sản phẩm cháy sạch và có nhiệt lượng cao nên LPG được sử dụng khá rộng rãi làm nhiên liệu thay thế trên động cơ đốt trong Theo các thống kê, trên toàn thế giới hiện có khoảng 13 triệu xe ô tô chạy LPG Trong đ , phần lớn là xe

sử dụng động cơ đánh lửa cưỡng bức nhưng việc nghiên cứu sử dụng LPG trên động cơ diesel c ý nghĩa đặc biệt quan trọng về giảm ô nhiễm môi trường nên hiện nay đang rất được quan tâm

Ở Việt Nam, theo quy hoạch phát triển giao thông vận tải đến năm 2020

và định hướng đến năm 2030 thì số lượng động cơ xăng đến năm 2020 c thể đến 2 triệu chiếc và động cơ diesel có thể trên 1,5 triệu chiếc Đây là điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu sử dụng LPG làm nhiên liệu thay thế để giảm tiêu thụ nhiên liệu truyền thống và bảo vệ môi trường

1.2.1 Sử dụng LPG cho động cơ đốt cháy cưỡng bức

1.2.1.1 Đặc điểm kết cấu động cơ LPG đốt cháy cưỡng bức

Đặc điểm kết cấu chung của động cơ LPG đốt cháy cưỡng bức hoàn toàn tương tự động cơ xăng và chỉ khác ở hệ thống cung cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng động cơ chạy LPG nên được thiết kế tăng tỷ số nén và thay đổi g c đánh lửa sớm tối ưu theo hướng giảm một chút

so với động cơ chạy xăng để tăng hiệu suất, công suất và giảm suất tiêu hao nhiên liệu Việc chuyển đổi động cơ xăng sang chạy LPG khá đơn giản và rẻ tiền, chỉ cần trang bị thêm hệ thống cung cấp LPG cho động cơ, còn các hệ thống khác vẫn được giữ nguyên Cho nên hầu hết các động cơ LPG đốt cháy cưỡng bức hiện nay là động cơ được chuyển đổi là từ động cơ xăng

1.2.1.2 Phương pháp cung cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp

Việc cung cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp trong động cơ LPG đốt cháy cưỡng bức có thể được thực hiện bằng các phương pháp cấp LPG vào đường nạp nhờ sử dụng bộ hòa trộn, phun LPG vào đường nạp và phun trực tiếp LPG vào trong xilanh động cơ Việc cung cấp LPG vào đường nạp khá đơn giản, dễ thực hiện nên thường được áp dụng trên động cơ xăng chuyển đổi sang chạy LPG, tuy nhiên công suất động cơ bị giảm một chút Phương pháp phun trực tiếp thường được áp dụng trên động cơ LPG chế tạo mới

1.2.1.3 Đặc điểm làm việc và phát thải của động cơ LPG đốt cháy cưỡng bức

Do nhiên liệu LPG rẻ hơn xăng nên động cơ chạy LPG có thể tiết kiệm cho phí nhiên liệu đến 30% Hàm lượng phát thải thấp hơn đáng kể so với động cơ xăng nguyên thủy Phát thải CO giảm đến 80%, phát thải rắn và khói thấp hơn đến 60% Ngoài ra, động cơ LPG c ưu điểm nữa so với động cơ xăng là c thể chạy tốt với hỗn hợp nhạt, giúp tăng tính kinh tế và giảm phát thải CO và HC hơn nữa

Tóm lại, LPG rất thích hợp để làm nhiên liệu thay thế trên động cơ xăng Việc chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng LPG khá đơn giản, dễ dàng và chi phí thấp Tuy nhiên, công suất động cơ bị giảm một chút khi sử dụng phương pháp cung cấp nhiên liệu vào đường ống nạp

1.2.2 Sử dụng LPG cho động cơ diesel

1.2.2.1 Phương pháp cung cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp trong động cơ LPG/diesel

Do LPG có trị số octan cao và số cetan thấp nên nhiên liệu này khó có thể

sử dụng được theo cách thông thường của nhiên liệu diesel và thay thế hoàn toàn nhiên liệu diesel Do đ , LPG chỉ có thể được sử dụng để thay thế một phần nhiên liệu diesel theo cách hoặc là tạo hỗn hợp trước với không khí còn nhiên liệu diesel được phun vào xilanh để khởi tạo quá trình cháy hoặc LPG được hòa trộn ở trạng thái lỏng với diesel ở bên ngoài động cơ rồi được phun cùng diesel vào động cơ và được đốt cháy nhờ nhiên liệu diesel tự cháy Phương pháp thứ hai rất phức tạp nên ít được sử dụng Do đ , trên các động

cơ LPG/diesel hiện nay sử dụng phổ biến phương pháp phun LPG vào đường nạp của động cơ để tạo hỗn hợp trước với không khí

Ở Việt Nam, việc nghiên cứu sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel trên động cơ diesel chưa được quan tâm nhiều Năm 2007 Công ty cơ khí Ngô Gia

Tự đã thực hiện đề án: “Nghiên cứu sử dụng khí hoá lỏng cho xe buýt thành phố vì mục đích bảo vệ môi trường” trong đ đã nhiên cứu sử dụng lưỡng

-5-

nhiên liệu LPG/diesel cho xe buýt 22 chỗ trang bị động cơ diesel Kết quả nghiên cứu cho thấy sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel giảm được chi phí nhiên liệu chung và giảm được độ khói của xe Tuy nhiên, nghiên cứu này mới ở mức sơ bộ với tỷ lệ LPG thay thế thấp và chưa đánh giá ảnh hưởng của

tỷ lệ LPG thay thế đến đặc tính kinh tế, kỹ thuật và phát thải của xe

1.2.2.2 Đặc tính làm việc và phát thải của động cơ LPG/diesel cấp LPG vào ống nạp

Các công trình nghiên cứu sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel được thực hiện trên các mẫu động cơ diesel khác nhau với các điều kiện vận hành và thí nghiệm cũng như tỷ lệ nhiên liệu khí LPG khác nhau và có các kết quả đánh giá như sau:

a) Đặc điểm quá trình cháy

Goldsworthy và Negurescu đã chỉ ra rằng khi tăng tỷ lệ propan thay thế thì thời gian cháy trễ của phần nhiên liệu diesel phun lần thứ nhất tăng một chút Tuy nhiên, tốc độ cháy sau khi phun lần thứ hai tăng nhanh làm cho thời điểm cháy chính diễn ra sớm hơn và do đ tốc độ tăng áp suất và áp suất cực đại tăng lên cao hơn so với động cơ chạy chỉ với nhiên liệu diesel

Tuy nhiên, Lata và cộng sự nghiên cứu trên động cơ diesel tăng áp lại chỉ

ra kết quả ngược lại ở tỷ lệ LPG thay thế nhỏ Khi tăng tỷ lệ LPG thay thế từ

0 đến khoảng 30% thì thời gian cháy trễ của động cơ lưỡng nhiên liệu tăng Tuy nhiên, sau đ nếu tiếp tiếp tục tăng LPG thì thời gian cháy trễ giảm

b) Giới hạn tỷ lệ LPG thay thế gây cháy kích nổ

Goldsworthy chỉ ra rằng ở tải cao khi tăng tỷ lệ propan thay thế lên trên 20%, tốc độ tăng áp suất bắt đầu tăng mạnh và sau đ xuất hiện tiếng gõ Theo Bradley thì kích nổ thường xảy ra khi tốc độ tăng áp suất khí thể lớn hơn 10 bar/độ góc quay trục khuỷu và ở toàn tải tỷ lệ LPG thay thế tăng đến 25% là bắt đầu xuất hiện kích nổ trong khi nghiên cứu của Lata và cộng sự cho thấy với tỷ lệ LPG thay thế tăng đến trên 50% kích nổ vẫn chưa xuất hiện

c) Hiệu suất của động cơ

Lata và cộng sự cho thấy hiệu suất chỉ thị và hiệu suất có ích của động cơ chạy lưỡng nhiên liệu LPG/diesel ở tải lớn với tỷ lệ LPG thay thế đến 40% đều cao hơn so với hiệu suất động cơ khi chạy với chỉ nhiên liệu diesel khoảng 6% Tuy nhiên, ở các chế độ tải nhỏ và trung bình thì hiệu suất động

cơ chạy với lưỡng nhiên liệu lại thấp hơn động cơ chạy diesel

d) Đặc điểm phát thải

Goldsworthy cho thấy khi tăng tỷ lệ propan thì phát thải NOx giảm Nghiên cứu của Saleh và của Lata và công sự về động cơ lưỡng nhiên liệu LPG/diesel cũng chỉ ra sự giảm NOx và kh i khi tăng tỷ lệ LPG thay thế Tuy nhiên, nghiên cứu của Alla và cộng sự lại chỉ ra rằng trong động cơ lưỡng nhiên liệu propan-diesel khi tăng tỷ lệ propan thay thế thì hàm lượng phát thải

NOx tăng với sự giải thích là propan cháy có nhiệt độ cao làm tăng phản ứng của nitơ và ôxy

Về phát thải HC trong động cơ lưỡng nhiên liệu khí-diesel nói chung hay LPG/diesel nói riêng, hầu hết các nhà nhiên cứu đều chỉ ra rằng phát thải HC tăng khi tăng tỷ lệ nhiên liệu khí thay thế, đặc biệt là ở chế độ tải nhỏ Phát thải HC ở tải thấp cao hơn rất nhiều so với phát thải HC ở tải cao khi cùng tỷ

lệ nhiên liệu khí Tuy nhiên, Negurescu lại báo cáo HC giảm trong kết quả thí nghiệm của mình ở chế độ toàn tải khi tăng tỷ lệ LPG

Về phát thải CO, Goldsworthy cho thấy khi tăng tỷ lệ propan thì phát thải

CO tăng Kết quả tương tự cũng được khẳng định trong nghiên cứu động cơ lưỡng nhiên liệu LPG/diesel của Lata và cộng sự và nghiên cứu động cơ lưỡng nhiên liệu khí thiên nhiên-diesel của Papagiannakis

e) Nghiên cứu giảm phát thải

Để cải thiện phát thải, một số nhà nghiên cứu đã bổ sung H2 vào đường nạp cùng LPG H2 c đặc tính cháy nhanh và cháy kiệt sẽ giúp mở rộng giới hạn cháy cho hỗn hợp LPG/không khí để cải thiện quá trình cháy nhiên liệu diesel và LPG

1.3 Kết luận

Việc sử dụng LPG làm nhiên liệu thay thế trên các động cơ đốt trong có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao Trên động cơ diesel, việc sử dụng LPG làm nhiên liệu thay thế theo cách sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel được quan tâm nhất Đã c nhiều công trình nghiên cứu về việc sử dụng lưỡng nhiên liệu này trên các động cơ diesel khác nhau và đã đưa ra các nhận xét về đặc tính làm việc và phát thải của động cơ được tóm rắt như sau:

- Về hiện tượng kích nổ: xảy ra khi tỷ lệ LPG thay thế vượt quá 20% đến trên 50%

- Về diễn biến quá trình cháy: Ảnh hưởng của LPG đến thời gian cháy trễ, thời gian cháy chính, tốc độ cháy ở tải nhỏ và trung bình được công bố khác nhau

- Về phát thải NOx: Đa số tác giả công bố kết quả phát thải này giảm nhưng một số khác lại cho rằng NOx tăng khi tăng tỷ lệ LPG thay thế

- Phát thải CO: Đa số tác giả công bố kết quả tăng nhưng một số lại cho răng CO giảm khi tăng tỷ lệ LPG

- Về phát thải HC và chất thải rắn PM: Các công trình nghiên cứu đều cho thấy HC tăng và PM giảm khi tăng tỷ lệ LPG thay thế

Chính vì vậy, việc nghiên cứu sâu để làm rõ hơn ảnh hưởng của tỷ lệ LPG thay thế trên các loại động cơ diesel đặc trưng trang bị hệ thống nhiên liệu tích áp và hệ thống nhiên liệu truyền thống sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel đến đặc tính làm việc và phát thải của động cơ là rất cần thiết để xác định được các thông số điều chỉnh hợp lý giúp cho việc cho việc chuyển đổi hiệu quả các loại động cơ này sang chạy lưỡng nhiên liệu LPG/diesel

Trong đề tài này, tác giả sẽ nghiên cứu lý thuyết về sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel trên động cơ AVL 5402 trang bị hệ thống phun nhiên liệu diesel kiểu tích áp (common

rail) điều khiển điện tử

Việc cung cấp lưỡng nhiên

liệu LPG/diesel được thực

hiện với việc cung cấp và

xilanh ở cuối quá trình nén

Hình 2.2 Sơ đồ phân vùng hỗn hợp trên 1 tia phun

2.2 Đặc điểm quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong động cơ LPG/diesel

2.2.1 Quá trình cung cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp trong xilanh

Sự phân bố nhiên liệu trong xilanh động cơ trước khi sự cháy xảy ra gồm

3 vùng (hình 2.2): Vùng lõi tia phun c hàm lượng diesel cao, vùng hỗn hợp cháy được của hơi diesel-LPG-không khí và vùng hỗn hợp nhạt đồng nhất của LPG- không khí

2.2.2 Quá trình cháy

Tồn tại 4 vùng trong quá trình cháy (hình 2.3): Vùng lõi tia phun chưa cháy; vùng cháy khuyếch tán, vùng cháy lan tràn màng lửa, vùng hỗn hợp đồng nhất chưa cháy của LPG-không khí

Vùng diesel đậm

Vùng hỗn hợp diesel-LPG-không khí cháy được Vùng hỗn hợp nhạt LPG-không khí

Hình 2.3 Sơ đồ phân vùng xilanh ứng với 1 tia phun trong quá trình cháy

2.3 Các giả thiết để nghiên cứu quá trình tạo hh & cháy

Coi tốc độ chuyển động của nhiên liệu tại lỗ phun không thay đổi trong quá trình phun; Các thông số đặc tính của nhiên liệu không thay đổi trong quá trình phun; Trong quá trình phân tán và xé nhỏ, nhiên liệu diesel tồn tại ở thể lỏng nhưng ngay sau khi kết thúc quá trình này các hạt nhiên liệu ngay lập tức chuyển sang thể khí; Trong quá trình cháy, thể tích buồng cháy ứng với mỗi tia phun được chia thành 4 vùng

2.4 Các mô hình toán

2.4.1 Mô hình phun nhiên liệu và tạo hỗn hợp

Dựa trên quan điểm của Liu và Karim áp dụng cho động cơ lưỡng nhiên liệu khí/diesel Độ dài tia nhiên liệu phun (hình 2.4) S(m):

d t P

a hat

25 , 0

Màng lửa

-9-

Hình 2.4 Sơ đồ phân bố nhiên liệu diesel trong tia phun

2.4.2 Mô hình cháy và tỏa nhiệt

2.4.2.1 Thời gian cháy trễ

Thời gian cháy trễ tính theo góc quay trục khuỷu được xác định theo công thức dưới đây:

2.4.2.2 Tốc độ cháy và tỏa nhiệt của nhiên liệu diesel và LPG

a) Tốc độ cháy của nhiên liệu trong vùng tia phun

b) Tốc độ cháy của hỗn hợp LPG-không khí bên ngoài tia phun

Mô hình cháy lan tràn màng lửa kiểu rối được áp dụng để tính toán tốc độ cháy và tỏa nhiệt trong giai đoạn này

𝑆

𝑆 = 𝑆 [ ] [ ] ( 𝑓 )

2.4.2.3 Thành phần sản vật cháy ở trạng thái cân bằng

Theo Ferguson và Rakopoulos, phương trình phản ứng cháy của nhiên liệu khi xét đến 11 thành phần sản vật cháy là:

N v NO v OH v O v H

v

H

v

CO v O v N v O H v CO v N O

8 7

2

6

5 2 4 2 3 2 2 2 1 2

21.0

S

của chu trình nhiệt động ta đều có thể xác định được thành phần mol của các thành phần sản vật cháy ở điều kiện cân bằng hóa học

2.4.3 Mô hình nhiệt động

Sự thay đổi khối lượng của mỗi vùng dmi bằng tổng khối lượng nhận vào

và mất đi của nó:

Thể tích môi chất V trong xilanh bằng tổng thể tích của các vùng Vi:

Áp dụng định luật thứ nhất nhiệt động học cho các vùng chưa cháy:

Áp dụng định luật thứ nhất nhiệt động học cho các vùng cháy:

Các phương trình vi phân biểu diễn áp suất khí thể dP/dt, nhiệt độ các vùng hỗn hợp chưa cháy dTui/dt và nhiệt độ các vùng hỗn hợp đã cháy

j

j uj ui ui ui ui n

i pui

ui

N j

j j bi bi bi bi n

i

i pbi

bi

n i i i i n

i

i i i

c V R V P dt

dx u m dt

dR T m dt

dQ Pc

R

t

x u m t

R T m t

m h h t

m h t

Q Pc

R

dt

dR R

V ui dt

dm m

V t

1

1 1

ui b i u p f p f bi

1 1

1 /

d

d d

d d

d ) ( d

d d

d

d

d

d

d

2.4.4 Mô hình truyền nhiệt

Phương trình truyền nhiệt từ khí thể trong xilanh ra thành buồng cháy như nắp xilanh, piston và lót xilanh được tính toán như trong phương trình :

 c wi

w i

Q   

Với hệ số truyền nhiệt α w được tính theo mô hình Woschni như sau:

8 , 0 53 , 0 8 , 0 2 , 0

.

-11-

* Nguồn HC từ hỗn hợp không khí - nhiên liệu:

Nguồn HC này bao gồm HC do sự lọt khí tại cửa thải, HC tạo ra do cháy không hoàn toàn tại vùng phản ứng cháy, HC tạo ra do màng lửa bị dập tắt do điều kiện cháy không thuận lợi (hỗn hợp quá nhạt), và HC thoát ra từ các khe hẹp trong buồng cháy Trong đ hai nguồn HC cuối cùng là đáng kể, còn các nguồn trước rất nhỏ có thể bỏ qua Nguồn HC do dập tắt màng lửa được tính toán từ quá trình cháy trong chu trình nhiệt động Nguồn HC từ các khe hẹp được tính toán như sau:

Lượng HC không cháy trong khe hẹp:

),

gas cre w

gas cre cre

gas cre cre crevice

gas

T P v

V QT

M PV RT

M V P

M V dt

dm

m

w

gas cre crevice

Thể tích khe hẹp :

0 , 0

, 0

,

piston liner

piston liner

cre

cre

d d

d d V

V





* Nguồn HC từ nhiên liệu:

Cơ chế hình thành HC từ nguồn này là trong quá trình nén, một phần nhiên liệu bay hơi trong hỗn hợp được màng dầu bôi trơn hấp thụ theo định luật Henry

2

z

Y D

HC A C

1

1 2

11

1

K

R K

R dt

Tốc độ ôxy hoá bồ hóng :

2.5 Kết quả tính toán mô phỏng

Việc tính toán mô phỏng để xác định các thông số đánh giá các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật avf phát thải của động cơ được thực hiện trên phần mềm AVL BOOST phiên bản 2011, là phần mềm tiên tiến hiện đại chuyên dùng cho mô phỏng chu trình động cơ đốt trong cho phép xác định các chỉ tiêu kinh

tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ với độ tin cậy cao Riêng thành phần phát thải HC được tính toán theo các mô hình nói trên nhờ chương trình lập trình riêng trên ngôn ngữ FORTRAN

2.5.1 Đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng

Độ tin cậy của mô hình mô phỏng được kiểm tra đánh giá bằng cách so sánh kết quả tính toán mô phỏng với kết quả thử nghiệm cho hai trường hợp

sử dụng đơn nhiên liệu diesel và lưỡng nhiên liệu LPG/diesel với tỷ lệ LPG thay thế 20% về diến biến áp suất khí thể trong xi lanh và mô men động cơ Với sai lệch kết quả giữa thực nghiệm và mô phỏng không quá 3% nên mô hình mô phỏng có thể sử dụng được để nghiên cứu quá trình làm việc của động cơ với lưỡng nhiên liệu LPG/diesel

2.5.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ LPG đến chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của đ/cơ

2.5.2.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ LPG đến tính kinh tế nhiên liệu

Nghiên cứu được thực hiện ở 100% tải với các tỷ lệ LPG thay thế 10%,

20%, 30%, 40%, 50% ở các tốc độ khác nhau

a) Ảnh hưởng của tỷ lệ LPG đến tổng tiêu thụ nhiên liệu khối lượng

Ở tốc độ trên 2000v/ph tiêu hao nhiên liệu tổng (LPG + diesel) của động

cơ chạy lưỡng nhiên liệu LPG/diesel giảm một chút so với chạy đơn nhiên liệu diesel vì lượng tiêu hao nhiên liệu LPG giảm do nhiệt trị thấp của LPG (46 MJ/kg) lớn hơn nhiệt trị thấp của diesel (42,5 MJ/kg) Tỷ lệ thay thế

LPG càng cao thì suất tiêu hao nhiên liệu sẽ càng giảm

b) Ảnh hưởng của tỷ lệ LPG đến suất tiêu thụ năng lượng

Khi động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel với các tỷ lệ LPG khác nhau ở tốc độ trên 2400v/ph suất tiêu hao năng lượng giảm nhiều Ở tốc độ 3000v/ph tỷ lệ LPG thay thế 10%, 20%, 30%, 40%, 50% suất tiêu hao năng

lượng giảm tương ứng là 2,8%; 5,4%, 7.71%, 11,7% và 12,28%