' BO GIAO DUC VA DAO TAO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRAN THANH HẢI TÙNG # GĨP PHẦN NGHIÊN CỨU SỰ HÌNH THÀNH NO,
TRONG QUÁ TRÌNH CHÁY
CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL
„~_ Chuyên ngữnh: ĐỘNG CƠ NHIỆT
MG sé: 2.01.35
TOM TAT
LUẬN ÁN TIỀN SĨ KỸ THUẬT
Trang 2CONG TRINH BUOC HOAN THANH
TAI DAI HOC BACH KHOA HA NOI VA DAL HOC BA NANG
Nguoi hudng dan khoa hoc: PGS TS BUI VAN GA
Đại học Đả Nẵng
PGS PTS TRAN VAN TE
Đại học Bách khoa Hả Nội Phản biện 1: PỚŒS PTS Quách Đình Liên
Trưởng Đại học Thuy Sản Nha Trang z
Phan biện 2: PGS PTS Ha Quang Minh
Học viện Kỹ thuật Quản sự - Bộ quốc phịng,
Phản biện 3: POS.PTS Đỗ Đức Tuấn
Trưởng Dai hoc Giao thơng vận tải Hà NỘI
Luận án sẽ đước bảo vệ tại Hội đồng chấm luận án cấp Nhá nước
họp tại phịng CI - 318, Đại học Bách khoa Hả Nội
vảo hồi Í# giỏ , ngày 49 thang G năm 1999,
Co thé lim hiểu luận Án tai:
- Thư viện Quốc gia, Hà Nội
~ Thư viện Đại học Bách khoa Hà Nội,
- Thư viện Đại học Da Nang
Trang 3PHAN MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu:
Trong diéu kiện lý tưởng, phản ứng chảy giữa nhiên liệu và khơng khí chỉ sinh ra
CO;, HạO và Nạ Tuy nhiên trong thực tế do sự khơng đồng nhất của hỗn hợp, sự biến thiên nhanh chĩng nhiệt độ và áp suất, trong sản phẩm cháy của động cơ dét trong cĩ
chủa những chất gây ơ nhiễm như CO, NO, bể hĩng cũng như các sản phẩm cháy trung
gian khác Bảng 1-1 trình bày mức độ phát ơ nhiễm trưng bình của các loại động cơ đốt trong Báng 1- 1 tâm lượng một số chất độc hai chính trono khí thải động cơ dốt trong Thanh phan g/kw.h | ĐC xăng | Diesel4kỳ | Diesel2ky Ì co 70 - 180 4,0 - 8.0 \ TẾ NỌ, 12 5-8 t 8 HC | 16 - 100 14 - 29 | 5.0 Bé hong | 0,4 14-20 i 4.22
Nơng độ các chất ơ nhiễm trong khí xả phụ thuộc vào loại động cơ cũng như các thơng số điều chỉnh và vận hành Đổi với động cơ Diesel, do đặc điểm của quá trình chảy Khuếch tán và làm việc với hệ số dư lượng khơng khi lớn trong khí xả cĩ chứa hai chất ê nhiễm chỉnh đỏ là: bổ hỏng và NO, Cho tới nay, việc xỦ lý trên đường xả hai chất ê
nhiềm này vẫn cỏn nhiều khĩ khăn về kệ thuật Do đĩ việc nghiên cửu hạn chế chúng
đigay tử trong buơng cháy là cần thiết Luận an nay tập trung nghiên cứu sự hính thánh
1 6B [4° trong động cơ Diesel phun gián tiếp
1.2 Tính cấp thiết của đề tài:
NO, do động cơ đốt trong thải vào bau kif quyển chiếm tỷ lệ khả cao (40 - 70%)
Mặt khác, số lượng động cơ Diesel đưa vào sử dụng ngày cảng tăng trong khi hiệu quả
của kỹ thuật xử lý NO, trên đường xả rất hạn chế do hỗn hợp cháy lỗng, nên chất 6 nhiễm nảy đã và đang là mối quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học
Đổi với Việt Nam theo du bao trong vịng 10 năm tới, khối lượng NO, do ơ tơ thải
vào bau khí quyển sẽ tăng 2 lần Do đĩ những nghiên cứu co ban về cháy của động cơ và
van dé ơ nhiễm do NO, gây ra mang y nghĩa thực tiễn lớn nhằm phục vụ cho nễn cơng
nghiệp ơ tơ đang hình thành ở nước ta
1.3 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Trang 4+ Về lý thuyết: Dựa trên việc tổng hợp tài liệu liên quan đến cơ chế hình thành NO,
trong quả trình cháy nhiên liệu cũng như những kết quả nghiên cứu quá trình cháy khuếch tần trong động cơ Diesel, cơng trình nảy tập trung xây dựng một mơ hình tính tốn quá trình cháy của động cơ Diesel phun gián tiếp trên cơ sở đĩ tính tốn néng độ NO, sinh ra
» Về thực nghiệm: Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến nồng độ NO, trong khí xả của động cơ phun gián tiếp buồng cháy xốy lốc và so sánh kết quả với
trưởng hợp trong động cơ cĩ buồng cháy thống nhất kiểu MAN,
Kết quả tính tốn lý thuyết được kiểm chứng bằng kết quả thực aghiệm Trên cơ sở
đĩ dự dốn dược sự hình thành NĨ, trong buồng cháy của động cơ Diesel phun gián tiếp
ổ các chế độ làm việc khác nhau 1.4 Phương pháp nghiên cứu:
Xây dựng mơ hình tốn học mơ tả quá trình cháy và hình thành NĨ, trong động cơ Diesel phun gián tiếp, thực hiện các thí nghiệm khảo sát NO, trên động cơ Diesel phunygián tiếp để kiểm chứng mơ hình,
1,5 Những đĩng gĩp khoa học và điểm mới của luận ân:
# Nghiên cứu quá trình chảy và tạo thành NĨ, trong động cơ Diesel phun gián tiếp
bằng mơ hình cháy và bằng thực nghiệm
ø Mơ tả giai đoạn cháy khuếch tản trong động cơ Diesel phun giản tiếp bằng hai
ngọn lứa khuêch tán
s Xác định tốc độ tiêu thụ nhiên liệu nhỏ tính tốn cân bằng vật chất trong các khu
vực của buồng cháy phụ và buồng cháy chính
» Xây dựng hệ thống thí nghiệm dộng cơ hồn chỉnh
e Dua ra một số định hướng trong nghiên cứu và sử dụng nhằm hạn chế mức độ ơ
nhiềm NO, của động cơ Diesel
1.6 Bố cục luận án:
Ngồi phần giới thiệu, tài liệu tham khảo và phụ lục, luận án được chia thành 6 chương, Trong đĩ: Chương I: Tổng quan gẻm 19 trang; Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn nẵng độ NO, trong quá trình cháy gêm 13 trang; Chương 3: Thiết lập mơ hình quá trình cháy cửa động cơ Diesel phun gián tiếp gồm 33 trang; Chương 4: Tính tốn quá trình cháy và nẵng độ NO, trong sẵn phẩm cháy của động cơ Diesel phun gián tiếp gồm 23 trang; Chương 5: Nghiên cứu thực nghiệm và so sánh với kết quả tính tốn bằng mơ
Trang 5PHAN NOI DUNG
CHUONG 2:
CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN NONG ĐỘ NO; TRONG QUÁ TRÌNH CHÁY
2.1 Giới thiệu:
Để cĩ cơ sở tính tốn nồng độ NO,, cần phải hiểu rõ cơ chế hình thành của NO, cơ chế động học phản ứng hình thành NO, và các chất ơ nhiễm khác trong khí thải của động cd Diesel
2.2 Cơ chế hình thành NO:
Monoxit nite NO, dioxit Nito NO, va protoxit nite N,O duoc gọi chung là NO, trong đĩ NO chiếm đa số
Trong điểu kiện hệ số dư lượng khơng khí xấp xỈ 1, những phản ứng chỉnh tạo
thành và phân huỷ NO theo cơ chế Zeldovich là:
O+N, eo NO +N- 316 k]/kmole (2-1) N+0, o NĨ + O~ 136 k]/kmole @-2)
N+0H oO NO+H (2-3)
Đioxít nitd NĨ; dược hình thành tử NO va chất trung gian của sản vật cháy HO,
theo phản ứng sau : NĨ + HO; —› NĨ; + OH @-4)
Trong điều kiện nhiệt độ cao NĨ; tạo thành cĩ thể phân giải thành NĨ theo phản
ứng: NO; + O => NO+0, (2-5)
Protoxít nitơ NạO chủ yếu hình thành từ các chất trung gian NH và NCO khi chúng
tác dụng với NĨ : NH+NO ->N;O+H (2-6)
NCO +NO > N,O+CO (2-7)
Tuy nhiên ở ving oxy hda, néng d6 nguyên tử H cao, protoxyt nitơ bị phân giải theo phan ting: N,0+H—> NH+NO (2-8)
N,O+H—> N;~ OH (2-9)
2.3 Cơ sở tính tốn nồng độ NO:
23.1 Tính tốn NO, theo nhiệt động cân bằng:
Vì NO chiếm tỷ lệ lớn trong tổng số các chất NO,, thong thường khi tính tốn theo
nhiệt động cân bằng người ta chỉ tính NO Thành phần NO; và N;O được xác định theo
các kết quá thống kê kinh nghiệm
Phản ứng hỏa học giữa khơng khí và nhiên liệu hvdrocarbon trong trường hợp tổng quát được viết dưới dạng:
78 1 a
Trang 6Trong do q IA téng số các thành phân sản vật chảy và +: là thành phân mole của chất ¡ trong sản vật cháy Trong trưởng hợp đây đủ cĩ thể xem trong sản vật cháy cĩ L2 chất
với chỉ số ¡ như 5AU:(1) H-O,(2) H;, (3) OH,(4) H (5) Ne, (8) NO (7) N, (8) CO,, (9) CO, (10)
Oy, (11) 0, (12) Ar
2.3.2 Tính tốn nơng độ NO, theo động học phản ứng:
Đối với quả trình cháy trong động cơ, các nhà nghiên cứu đã dưa ra những hệ
phương trình dộng học phản ứng khác nhau để mơ tả sự hình thành NĨ, trong sản phẩm
chảy như mơ hình Newhall, Annand, Zeldovich Trong luận án nảy sử dụng mơ hình
Annand để tính tốn nơng dộ NO,theo động học phản ứng
Theo ANNAND nếu xem xét thời gian dành cho quá trình cháy trong dộng cơ đốt
trong là thời gian đạt trạng thái cân bằng nhiệt dộng của các chất cĩ mặt trong sản phẩm cháy thi chỉ cĩ NO là chất cần xem xét về động học phản ứng vì thời gian để chất này đạt trạng thái cân bằng nhiệt dịng học xấp xí thời gian dành cho quá trình cháy của động cơ
Hệ các phương trình động học phẩn ứng của NĨ bao gồm 7 phương trình thuận nghịch
N+NO77N,+0 a OFN,0 7 IN, +03 (8)
N+0, ——`NưO+O (2) O+N,0 7? NO+NO (8) N+OHCTNO+H (3) N,O-MI2N,+04+M 47) H+N,0 72 N,+0H (4) Tốc độ tạo thinh NO khi tính theo gĩc quay trục khuỷu viết dưới dạng sau: \ 4d{NOjv) V = -~9? 2 R, Re | 2-11 da 300 #) 1+95——— R, T 1+ Ry “ m | ‹ ) ` Ri +R, R,+R,+R,/ 4 Trong đĩ:V: Thể tích của phản sản phẩm chảy (ent); n: Số vỏng quay động cơ (v/ph): œ: Gĩc quay trục khuỷu (độ); R, =k¿] mà [[X,],; kạ: là hằng số tốc độ phản ứng
thuận thứ ¡ (=1+7);[]}¿: nồng độ ở trạng thái cân bằng nhiệt động của chất tham gia
phản ứng j trong phản ứng thuận thứ ¡ (mol/cm); 8 = [NO],/[NOI
Kết luận chương 2: Khi yêu cầu độ chính xác vừa phải, những chất trung gian cĩ nơng độ quá bé được bỏ qua và chỉ khảo sát những chất chính cĩ mặt trong sản phẩm cháy
Trang 7
CHUONG 3:
THIET LAP MO HINH QUA TRINH CHAY CUA DONG CƠ DIESEL PHUN GIÁN TIẾP 3.1 Cơ sở lý thuyết chảy khuếch tán: Màng lửa mỏng ~~~ Ơmạg er ,Nhiên liệu ——f 4 E1 L2 L2 7 : \ Khu vực bên lửa VAAN
Hình 3- 1: Sơ đơ giả thiết mảng lÚa mĩng trong Hình 3- 2: Quan hệ giữa nơng độ oxy và nhiên quả trình chảy khuếch tần liệu với đai lượng bảo jồn F
Mơ hình mơ tả quá trình cháy khuếch tán bằng mơ hình k - £ - g với tỷ lệ hỗn hop f là đại lượng bảo tồn dược sử dụng rộng rãi nhất hiện nay:
M, I-T,
fot MT, -Ty
M, la lu ludng nhién liéu tai miéng véi phun (hay nguén nhién léu) va M Ja hu G-1)
lượng mơi chất tại vị trí khảo sát, F` là đại lượng bảo tồn Shwab - Zeldovich,
Khi ta nhiên liệu được phun vào ở chế độ rồi, tốc độ hồ trộn gia tăng do tăng
các bể mặt tiếp giáp nhiên liệu - khơng khi Theo giả thiết màng lửa mỏng thì mảng lửa
của quả trình chảy khuếch tán xuất hiện mang tỉnh ngẫu nhiên tại vị trí cĩ @ =1 (hình 3-1) tương ứng f = f„ ( lệ hỗn hợp ứng với trưởng hợp chảy hồn toản lý thuyếu Khi đĩ, cả
nơng độ ơ xy và nắng độ nhiên liệu đều triệt tiêu Khi f> f, thì chỉ tên tại nhiên liệu cơn
khi f< f, thì chỉ tổn tại ơ xy Nơng độ ơxy, nhiên liệu và nhiệt đệ mảng lửa được tính
thơng qua tế lệ hỗn hợp ƒ bồi các quan hệ tuyến tính (hình 3-2) Y, Tha —T, Y„=-=hf+Y,„ khi fst, @-2) _P>—®f+T, khi f<f, ty t= ˆ (3-4) Ty = Tine : Yo ˆ Ta (nÍy)+T„, kh f>f,
Ÿ, =1? Œ-f) khi fe, (3-3) I-f,
Theo mơ hình nảy, 6 xy và nhiên liệu khơng tên tại đồng thời, tuy nhiền thực tế cĩ
những vùng cục bộ, ở đĩ nhiên liệu và ơ xy cùng tỐn tại Sự tồn tại đồng thời đĩ được thể
hiện qua hàm mật độ xác suất Phụ thuộc vào vị trí của hàm mật độ xác suất mà nơng độ
nhiên liệu và nơng độ 6 xy cĩ thể triệt tiêu hay khơng Tốc độ hình thành NO, chịu ảnh
Trang 8› a aa oe 4 ˆ 2 * ao a bà ay aa
vác hàm mật độ xác suất khác nhau khơng dáng kể, vị vậy trong luận án này hàm mật dộ
xác suất được sử dụng là hàm đa thức bậc 0
3.2 Hệ phương trình tính tốn ngọn lửa rối và khuếch tán: iain _T—=€,.7m € ( +ÐH, ) | dx BYE, dịm — <€> h — 0,<p> ca | <k> ™ d(m<k >) < iB -dD, (3-3) d(m<e> amet?) ng | đi < Ÿ, >} om Yu My i dx
Hệ phương trình cần giải (3-5) dược viết dưới dạng tich phân trên tồn bộ chiều
ngang của ngọn lửa, Biến khơng gian của hệ phương trình là phương dọc trục của ngọn
lửa Nghiệm số của hệ phương trình cho phép xác dịnh nổng độ nhiên liệu, néfig, dé 6 xy
tại các khu vực cục bộ trong ngọn lửa khuếch tán của déng co Diesel tinh tốn cân bằng
vật chất trong các khu vực của buồng chảy
3.3 Các giá thiết của mơ hình:
Màng lúa diễn ra tại vị trí cĩ độ đậm đặc 9 = 1 Giai đoạn cháy trễ và cháy nhanh
chỉ diễn ra trong buồng chảy phụ Quá trình cháy khuếch tán trong buồng cháy phụ kết
thúc khi tiêu thụ hết lượng khơng khí trong bung chảy này, Nhiên liệu cịn sĩt lại trong
buồng chảy phụ dược hồ trộn đều với sản phẩm chảy và tiếp tục cháy khuếch tán khi
phun ra buơng cháy chỉnh Sản phẩm cháy được xem la 4 trang thái cân bằng nhiệt động học trử NĨ, Vận động rối của khơng khí trong quá trình hồ trộn hỗn hợp được mơ tả
theo mơ hình rối k - e - g Bỏ qua truyền nhiệt giửa các vùng phản ứng đối với trưởng hợp
khuếch tán rồi chỉ xem xét đến truyền nhiệt giữa các vùng với thành buổi
ø cháy,
Với các giả thiết như trên, trong giai doạn chảy khuếch tán cĩ thể chia khơng gian trong các buơng cháy của động cơ Diesel PGT thành bến khu vực như hình 3-3 và 3-4,
Khu vực 1: Khu vực cháy trong buồng cháy phụ Sau giai đoạn cháy nhanh, nhiên liệu dược tiếp tục phun vào khơng khí cịn lại trong buồng cháy phụ khuếch tán vào tia phun và cháy khuếch tán Độ đậm đặc trung bình trong khu vực | ting dẫn và quá trình chay tai đây kết thúc khi độ đậm đặc trung bính lớn hơn giá trị giới hạn trên của $ Khu vực này bao gơm nhiên liệu chưa cháy, sản phẩm cháy
Trang 9sản phẩm cháy chiếm chỗ Tia phun Budng chay phu Budng chay ' chính fed Lo’ ~® f\ 1 rar)
Hinh 3 - 3 So 66 phan chia khu vực giai đoạn Hinh 3 ~4 M6 hinh cae vùng phản ứng trong
cháy khuắch tán (rong buơng chảy chính vả phụ động cơ phun gián tiếp
Khu vực 3: Khu vực cháy trong buồng cháy chính Đầu tiên nĩ bao gồm nhiên liệu
chưa cháy hết, sản phẩm cháy khơng hồn tồn Oxy trong buồng chảy chính khuếch tán
vào khu vực 3 (được xem như một ngọn lửa khuếch tán mới) Độ dant dac trung bình của
khu vực này giảm dẫn và quá trình cháy kết thúc khi tồn bộ lượng nhiên liệu phun vào đã
tiêu thụ hết
Khu vực 4: Chỉ cĩ khơng khí, thể tích khu vực này giảm dẫn và đến cuối quá trình cháy nĩ bị sản phẩm cháy chiếm chỗ hồn tồn
Như vậy cĩ thể xem quá trinh chảy khuếch tán trong động cơ Diesel phun gián tiếp
gồm bai ngọn lửa khuếch tán: Ngọn lửa thứ nhất cháy trong buồng cháy phụ cĩ đặc điểm là tại miệng vỏi phun chỉ cĩ nhiên liệu Ngon lửa thứ hai chảy trong buồng cháy chính tốc độ phun thấp hơn, dường kính lễ phun lớn hơn (chính là đường kính họng thơng) và tại
miệng họng thơng là hỗn hợp gồm nhiên liệu và sản phẩm cháy Tính tốn ngọn lửa thứ
nhất giống như tính tốn quá trình cháy trong buơng chảy thống nhất Tính tốn ngọn lủa
thứ hai cân phải thay Y¿; bằng giá trị tính tốn của nĩ khi thốt ra khỏi buồng cháy phụ
3.4 Mơ hình quá trình cháy khuếch tán trong buồng cháy phụ:
3.4.1 MƠ hình phát triển của ngọn lửa:
Sự phát triển của ngọn lửa khuếch tán được giả thiết tương tự như sự phát triển của tia phun nhiên liệu Do đĩ những đặc trưng hình học của ngọn lửa được mơ tả và tính tốn giống tia phun nhiên liệu Các đặc trưng hình học của ngọn lửa được xác định theo biểu thức bản thực nghiệm của HAUPAIS và ABRAMOVITCH Ở mỗi bước gĨC quay trục khuỷu, ngọn lửa khuếch tán sẽ được chia thành tửng lỏp theo mặt cắt ngang với các giả
thiết tính tốn như BÙI VĂN GA dã để nghị Như vậy mơ hình nĩi trên là mơ hình đơn
Trang 10“Trong mơ hinh nay, itu lượng nhiên liệu tại miệng vỏi phun biến thiên theo gĩc quay trục khuỷu œ với quy luật phun được xác định như ở mục 3.4.2
3.4.2 Mơ hừnh quy luật phun nhiên liệu:
mộ Giả thiết gần dúng rằng lưu lượng
nhiên liệu m; theo gĩc quay trục khuỷu
đồng dạng với quy luật nhắc kim phun, Qui ật này cĩ dạng hình thang, xác định dược
a khi biết lượng nhiên liệu cung cấp va thoi
10 gian phun cho một chu trình Theo quy luật
hình thang, lượng nhiên liệu chu trình dược
hy œ Oy
Hinh 3-8: Mơ hình qui luật cung cáo nhiên liệu tính: Ag, = jm do + im do + jm -dœ;(3-6)
trong đĩ Agu là lượng nhiên liệu chủ trình (ke/et), m, 1a lưu lượng nhiên liệu phun tại thoi
điểm tính tốn ¡ (kg/s) Cơng thúc (3-6) là một ham sé theo m„„„ Từ đĩ, chúng ta đễ dang
xác định được giá ưị lưu lượng cực đại mụ„„ và xây dựng dược các quy luật phun nhiên liệu m = f(œ) cho các giải doạn từ (o-ơa) như hình 3-5
3.43 Cân bằng răng lượng
Với sự thay đổi gĩc quay trục khuyu ơ bé hữu hạn, dịnh luật nhiệt động học 1 áp
dụng trong buơng cháy phụ động cơ Diesel duge viết như sau:
ÂU =AW + AQ B-7)
Trong đĩ: AQ: lượng nhiệt trao đổi với bên ngồi; AW: cơng trao đổi với bên ngồi
ứng với giá trị gĩc quay trục khuýu Aœ; AU: biến thiên nội năng tồn phần ứng với gĩc quay trục khuýu Ac Bign thiên nội năng tồn phần dược biểu diễn bằng cơng thức tổng quất sau: AU=AU, +AU? (3-8) ÌC,dT : biến thiên nội năng do sự thay đổi nhiệt độ Voi: AU AU?: Nội năng tạo thành trong đớtĩ kể đến nhiệt phản ứng 3.4.4 Cân bằng vật chất:
Cân bằng vật chất nhằm tính tốn khối lượng các chất ở các vùng, tử đĩ xác định tốc độ tiêu thụ nhiên liệu, mơ hình tính tốn được biểu diễn như hình 3-6 với sự biến thiên khối lượng của mơi chất ứng theo bước gĩc quay trục khuỷu Aơ Lượng nhiên liệu dã
cháy trong bước gĩc quay trục khuỷu Aœ:
AE, =AF, - AF„ +ŠAF„„; 3-9) Trong đĩ: At, = ine là lượng nhiên liệu phun vào
tù
buồng cháy phụ trong khoảng A0; AF, = thm oe là lượng nhiên liệu thốt ra khỏi ngọn
Trang 11lửa khuếch tán trong buồng cháy phụ;
OF = 2m20 cYu, — Èmụ, Ý, , là lượng nhiên liệu chưa cháy hết cịn tổn tại bên = › ấn th ,
trong ngọn lửa Y ¡uy là nổng độ nhiên liệu tại vị trí j của ngọn lửa khuếch tán trong buồng cháy phụ và bước tính ¡; Hàm ỗ = 0 nếu AF), >= 0; 8= -1 néu AF, <0
Lượng khơng khí ở buơng cháy phụ
tham gia vào quá trình cháy trong khoảng Aa: AA, =AF,.r,; 3-10) Trong đĩ rạy là
lượng khơng khí cần thiết để đốt cháy 1 đơn vi i Xx, vị khối lượng nhiên liệu ứng với hệ số tướng * dương 6: ry = " : 3-11)
Lượng sản phẩm cháy sinh ra cũng
chính là lượng hỗn hợp tiêu thụ trong tinh 3 ~6: Mơ hình tính loản cân bằng vật chất Ti ` ngọn lứa khuếch tân trong buồng cháy phụ đồng
khoang Aa: AB, = AF, +AAy3 (kg) cơ Diesel phun gián tiếp
@-12) ⁄
Khối lượng mơi chất ở các vùng trong buồng cháy phụ ở bước tỉnh i:
Vủng 2:m, =m, „+ ŸAF,,; 3-13) Trong đĩ: m„„y =m,„„„ — -ÁA„„ là jượng / kel ` h
ke)
V ` ì :
he là lượng khơng khí đầu quá trình nén khơng khí cịn lại ở bude i; "pom =
Ving 1: m,, = XAB, + Š mạ, Yu„ : (K) bi il " ' G19)
Tốc độ tiêu thụ hỗn hợp trong buồng chảy phụ ng với một đơn vị gĩc quay trục
khuyu Aa:
dm, AB,
Fa Mew Go (kg/4@) @-19) Timø¡ là hệ số xét ảnh hưởng của vận động xốy lốc trong buồng cháy phụ
3.5 Mơ hình quá trình cháy khuếch tán trong buồng cháy chính:
3.5.1 Lưu thơng của hỗn hợp từ buơng chảy phụ sang buồng cháy chính:
Tốc độ mơi chất phun tử buồng cháy phụ sang buồng cháy chính trơng giai đoạn a
— ơ, ¡ sẽ được tính bởi:
(m/s) (3-16)
u
Ve,
Apy la chénh léch ap sudt trong hai buồng cháy giữa hai bước tính,
3.8.2 Can bang vật chất trong buơng cháy chính:
Trang 12phun vào buồng chảy chính trong giải doan 0; > 41; AF, = mạn, 2% là lượng nhiên liệu
" a = `
thốt ra khỏi ngọn lửa trong buồng cháy chính; aƑ,„
‘ung nhién liệu chưa cháy hết cịn tốn tại bên trong ngọn lủa; Y;gy¡ là nơng độ nhiên liệu
ai vị trí j của ngọn lửa trong buơng cháy chính ở bước tính i
lLuượng khơng khí trong buồng chảy chính iham gia vảo quá trình chảy trong khoảng Aơ:
NA y ¬a ys (3-18)
Lượng sản phẩm chảy sinh ra cũng chính
la lượng hỗn hợp tiêu thụ trong khoảng Ad:
AB, = AF + AA (kg) (3-19)
Khối lượng mơi chất ở các vùng wong buồng cháy chính ở bước tinh i: bt
Vung 4: m,, =m + DAF oe iy ¢ (3-20) Hinh 3-7: M6 hinh tinh toan can bang vat 4 , Ch as : :
: PLY — Von " chất ngọn lúa khuéch tan trong buồng cháy
[rong đĩ “ = R.T là lượng chính động cơ Diesel phun gin tiếp
5 #
khơng khi đầu quá trình nén trong buồng cháy chính; m„„ =m,„- ŸAA„„ là lượng kel T + hỏng khi cịn lại ở bước 1 Ving 3: m,, =} a (3-21) Tốc dộ tiêu thụ hỗn hợp trong buồng cháy chính: t (kg/đơ) (3-22) Aq
Tames 14 hé 36 tinh đến ảnh hưởng của vận động xốy lốc trong buồng cháy chính 3.6 Truyền nhiệt trong bườởng cháy động cơ Diesel:
Truyền nhiệt tổng cộng của sản vật cháy với thành buơng chảy bao gồm: Truyền nhiệt đối lưu Q„ị và truyền nhiệt bue xa Q,,, do dé cd thé viet:
Qs = Ca = Qn (23)
Truyén nhiét déi luu được tính tốn theo théng ludng nhiét Vie xac dinh eac hé 3
búc xạ rất phức tạp để đơn giản trong luận án này sử dụng cơng thức thực nghiệm:
Qc =Q,n,.Q, (3-24)
Trong dé, Qy 1a lugng nhiét truyền do đối lưu và nụ, là
ệ sơ tính đến phần
truyển nhiệt do bức xạ nhiệt, Hệ số nảy được xác định thơng qua các kết quả thực nghiệm do đạc trong buồng cháy Diesel về néng độ thể tích và nhiệt độ của bd hong Theo nghiên
cứu của TREMOULIERE, nụ„ cĩ thể chọn trong khoảng từ 0.L§ - 0,2,
Kết luận chương 3: Quá trình cháy trong động cơ Diesel phun gián tiếp dược thể hiện
Trang 13bằng mơ hình cháy 4 khu vực với hai ngọn lửa khuếch tán Mơ hình này cho phép tính toản được biến thiên nhiệt độ, áp suất của quá trình cháy, đặc biệt cho phép xác định
dược sự phân bố oxy, nhiên liệu, đây là cơ sở để tính tốn cân bằng vật chất trong các khu vực và nơng độ các chất sản phẩm cháy
CHƯƠNG 4:
TINH TOAN QUA TRINH CHAY VA NONG 86 NO, TRONG SAN PHAM CHAY CUA DONG CO DIESEL PHUN GIAN TIEP
4.1 Tinh toan qua trinh nén:
Hệ phương trình vi phân biểu diễn quan hệ giữa nhiệt độ và áp suất trong quá trình
nén được rút ra tử phương trình trang thai và định luật mg động 1 cĩ dạng:
dp ẻ] dV RdQ
#.[[.2 Pao” C, da v ¬
aT _ flv 12)
da (Vda ~ pda (4-2)
Hệ phương trình vi phân (4-1) và (4-2) được giải theo phương pháp Runge-Kutia để
xác định nhiệt độ và áp suất trong xi lanh theo bước gĩc quay trục khuỷu
4.2 Tính tốn quá trình cháy:
4.2.1.Tính tốn giai đoạn cháy trễ:
Giả thiết: Giai đoạn cháy trễ diễn ra trong buộng cháy phụ ở một thể tích khơng đổi
quanh điểm phát lửa Khơng cĩ chẽnh lệch áp suất giữa buồng cháy phụ và buồng chảy chỉnh trong một bước tỉnh
Trong giai đoạn này, các thơng số nhiệt động học của hỗn hợp được tính toản theo
sự vận động của piston don thuần Nhiệt độ màng lửa được tính tốn trong giai đoạn chảy trễ là đoạn nhiệt đẳng tích Do đĩ dịnh luật nhiệt động học thứ nhất áp dụng cho phản hỗn
hợp khí tham gia vào giai đoạn cháy trễ được viết:
AU=0 hay U,=U, (4-3)
Giải phương trình (4-3) chúng ta nhận dược nhiệt độ khu vực bén Ita T’, Mé ta khu
vực bén lửa như trưởng hợp động cơ xăng Áp suất trong xi lanh p và nhiệt độ hỗn hợp
chưa chảy Tạ dược tính toản như quá trình nén
4.2.2 Tính tốn giai đoạn cháy nhanh:
GIÁ thiết: Giai doạn chảy nhanh thực hiện đối với phần nhiên liệu đã được hồ trộn
với tỷ lệ bổn hợp cháy gần với lý thuyết, Khơng cĩ chênh lệch áp suất giữa buơng cháy phụ và buồng chảy chính trong một bước tính, Giai đoạn cháy nảy sử dụng mơ hình hai
vùng: vùng hỗn hợp chưa chảy (chỉ số m), vùng hỗn hợp đã cháy (chỉ số p) Nhiệt độ tương ứng trong mỗi vùng là T, và Tụ,
Trang 14Phương trình trạng thái và định luật nhiét déng 1 m6 td ap suất vả nhiệt độ tại các khu vực được viết dưới dạng hệ phương trình vi phân như sau: đây Vụ dp ta, da m,C „ dữ * mụạC, dư a) a, ip J- (RT RT lem, R„V, dp da — m,R,|dœ + p Pp ! dex pC, de dp |{, Re jdm, c.) av Baal, RR ou, +4, _Cah, mt Ue = ott +| i cy Trong đĩ: — = Ww Cc
Téc dé tidu thy hén hợp dmy/de được tính theo tốc độ lan tràn màng lửa như trưởng
hợp động cơ xăng Giải hệ phương trình vì phân (4-4), (4-5), (4-6) trên ứng với các Ấn số
Tạ Tp, P bằng phương phap Runge-Kutta bac 4 theo bước gĩc quay trục khuỷu 4.2.3 Tính tốn giai đoạn cháy chính:
Giả thiết: Hỗn hợp sản phẩm cháy vùng 1 và 3 ĩ trạng thái cân bằng nhiệt động học trừ NĨ, Trong một bước tính, áp suất trong từng buồng cháy đồng nhất Tốc dộ tiêu thụ nhiên liệu
tong ving 1, vùng 3 chính bằng tốc độ tiêu hao khơng khí trong vùng 2, vùng 4 Hệ phương
Trang 15dm, a
tính tốn cân bằng vật chất trong các ngọn lửa như chương 3 Thể tích vùng chưa chảy V,
và V„ được tính tốn theo gĩc quay trục khuyu ơ Mỗi bước gĩc quay trục khuyu cần phải
giải hệ phương trinh ngọn lứa khuếch tán (3-5) để xác dịnh các thơng số nhiệt động của
quá trình, nồng độ dxy, nơng độ nhiên liệu dây là cơ sở để tính tốn nơng độ NĨ, theo
nhiệt động cân bằng và dong hoc phan ung
HH suy AG: te HAI + wo xà `
a te là tốc độ tiêu thụ nhiên liệu tại hai vũng ¡ và 3 dược xác dịnh nhờ lœ
4.3 Tính tốn nồng độ NO:
Nơng độ NO, được khơng chế bởi động học phần ứng nên NĨ, sinh ra tử phản ứng
chảy của bộ phận nhiên liệu đâu tiên giữ vai trỏ quan trọng nhất Khi thốt ra buồng chảy chính, giá trị ban dau của nĩ là giá trị đạt được trong khu vực l ở thời diểm đĩ Nơng độ
NO, cuối cùng biến thiên theo gĩc quay trục khuỷu, phụ thuộc vào nhiệt độ và ấp suất khu vực 3, được tính tốn theo phương trinh (2-[ 1)
4.4 Sơ đồ khối chương trình tính: CHƯƠNG TRÌNH CHÍNH ⁄ Ị bi QUẦN LÝ CÁC CHƯƠNG TRINH CON ĩ ¥ BIỂN SỐ Các hệ số 1 Tỉnh quá trinh nén Tinh giai đoan chảy Ta] : Các thơng thành phản nhiệt độ và số kết cầu sản phẩm nơng độ
chỉnh của L—„j Giai doạn chảy i chay theo *| NOx theo
đơng co và ị nhiệt động gĩc quay
điều kiên ~ cân bằng trục khuyu vận hành Tính + T
Tỉnh các tốn qui Cháy khuếch tán ị
thơng số eat trong buồng chảy phụ Ỳ
nhiệt động phản Tỉnh tốn
sủa hỗn hợp [TĐỊ, nhiên động học
và sản phẩm| - [iêuvãơj - Í Cháy khuếch tản trong cháy phản ứng xy wong [ ỈL huống cháy chính ngọn lửa hình thành
NOx rồi |
Quá trình giản nở
Trang 164.5, Kiém nghiệm đường cong áp suất theo mơ hình:
Áp suất và nhiệt độ trong buồng chảy là hai thơng số cơ bản để đánh giá chu trình
cơng tác của động cơ và cũng là hai thơng số đầu vào để tính tốn NO, Để dánh giá tính
dúng đắn của mơ hình tính tốn quá trình cháy đã nêu trong chương 3 chúng tơi tiến hành
tỉnh tốn cho động cơ D12 và so sánh với kết quả đo áp suất của VU HOAI AN thuc hiện
trên động cơ này
Kết quá tính tốn áp suất và nhiệt độ đối với động cơ D12 được so sánh với thực nghiệm trên
hình 4-1 Đường cong áp suất cho kết quả tương đối phù hợp tuy nhiên ở giai đoạn cháy nhanh kết
quả tỉnh tốn cao hơn so với thực nghiệm vì sự khác biệt rong giả thiết qui luật cung cấp nhiên liệu ——_— pinghiem(Pay “pTioanPm) — Tinghiêm#6) ——TTiếnd© pm TẾ -O- NOkippmxS0] 300 320 340 380 380 400 420 440 460 480 300 330 386 380 420 450 4380
Gĩc quay trục khuỷu : Gĩc quay truc khuyu
tình 4-1: Kết quá thực nghiệm và tính lồn cua Hình 4-2: Kết quá tính lốn trên mơ hình của động cơ động cơ 212, n ~ 2000v/nh, Qct = 0.06m/ct D12, n = 2000v/ph; Qet = 005m
Đưởng cong nhiệt độ trung bình của buồng cháy trong giai đoạn giãn nổ cao hớn so vỏi kết quả nhiệt độ nhận được của-VŨ HOẠI ÁN khi tính tốn thơng qua qui luật toả nhiệt Sự khác biệt này do khơng tính đến việc phân giải sản phẩm cháy trong giai đoạn cháy rot vả khơng xét đến động học phản ứng các chất khí khác trong thành phân khí thải
cũng như sử dụng hệ số trao đổi nhiệt theo cơng thúc kinh nghiệm
Hình 4-2 biểu điễn kết quả tính tốn trên mơ hình đối với động cơ D12, qui luật thay đổi của
NO, theo gĩc quay trục khuỷu tương tự như ly thuyết và các kết quả thí nghiệm của VUZO khi lấy
mẫu khí rực tiếp trong xi lanh Nơng độ NO, đạt đến trạng thải cân bằng ở khoảng 30° sau DCT
Kết luận chương 4: Hệ phương trình mơ tả quan hệ của các thơng số nhiệt động trong
quá trình làm việc của động cơ Diese] phun giản tiếp đã được thiết lập Các hệ phương
trinh được giải nhỏ một chương trinh máy tính viết bằng ngơn ngữ Pascal với hệ thống
các chương trình con và thủ tục Các thơng số kết cầu và thơng số chế độ vận hành của
động cơ (thơng số ban đầu) được thay đổi trong chương trình chỉnh Đưởng cong áp suất
cho bồi mơ hình khá phủ hợp với đường cong thực nghiệm do được trên động cĩ D12 Kết quả này cho phép chúng ta sử dụng chương trình đã xây dựng để nghiên cửu sự hình thành NO,
trong động cơ phun gián tiếp KUBOTA cĩ cùng dãi cơng suất
Trang 17CHƯƠNG 5
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ SO SÁNH VỚI KÉT QUÁ TÍNH TỐN BẰNG MƠ HÌNH Nghiên cứu thực nghiệm nhằm: Kiểm chứng kết quả tính tốn nơng độ NO, của động cơ Diesel phun gián tiếp bằng chương trinh đã xây dựng trong chương -† So sánh quan hệ của nơng độ NO, sinh ra trong quá trình cháy của động cơ Diesel phun trực tiếp (PTT) và phun gián tiếp (PGT) với độ khỏi và suất tiêu hao nhiên Việc xem xét dơng thời giữa chí tiêu kinh tế nhiên liệu và chỉ tiểu ơ nhiễm như vậy cho phép cĩ những dịnh hướng sử dụng hợp lý
5.1, Bế trí thí nghiệm
5.7.1 Giới thiệu động cơ thí nghiệm:
[hi nghiệm dược tiến hành trên hai loại động cơ: Động cơ phun gián tiếp KUBOTA - RKI125- 2X - GE (Nhat Bản) và động cơ phun trực tiếp 3V] 14.512 - ISRW (Đức) Động cơ
được bố trí thêm hệ thống làm mát tuần hồn hở để phù hợp với điều kiên thứ nghiệm
5.7.2 Giới thiệu dụng cụ đo-
Đại lượng Dụng cu đo Phương prếp chuẩn
| Mơ men Bảng thử thủy lực E4, Froude DPXẨ _, Đĩn căn
Số vịng quay Thiết bị đo số vịng quay hiện sẻ Bồ đâm xung Tiêu hao nhiên liệu _ | Thiết bị đo nhiên liều kiểu thế tích kín | Ống Pipét, đồng hỗ bẩm giây chính xác
Nhiệt độ Cặp nhiệt ngẫu Sắt - Constantan Theo đặc tính của nhà chế tạo
¡ Phân tích khi NO, Máy phản tích Madur GA20 Theo đặc tính của nhâ chế tạo
Đo độ khĩi (bố hĩng) | Máy đo khỏi XOMYO ST100N Giáy chuẩn của nhà chẻ tạo
ị Lưu lượng khí nạp Bộ đo tắm tiết lưu Theo dãc tỉnh chuẩn nhà chế tạo
Trang 188.1.3 Sơ đề bố trí thí nghiệm: Động cơ KUBOTA được bố trí trên băng thử thuỷ lực
Froude DPX3 với các trang thiết bị thí nghiệm kèm theo như hình 5-2 Động cơ 4VD
14,5/12 - 1SRW được bố trí tương tự trên băng thủ E4
nước cho bàng thử 3- Đâu đo số vong quay 4- Đường nước cấp
cho băng thứ 5- Đường cấp nước làm mát cho động cơ 6- Bộ phan
tích khí thải 7-Đổng hỗ đo nhiệt
độ khi nạp và khí thai 8 - Bộ đo lưu lương khi nạp 9-Thủng ốn áp đo lưu lượng khí nạp 10 - Động
cơ KUBOTA -RK125 11- Cặp
nhiệt đo nhiệt độ khí nạp 12 -
Đầu lấy mẫu khỏi 13- Cặp nhiệt
đo nhiệt độ khí thải 14 - Bang thu
kinh 5 -2: Sơ đỗ bổ trí thi nghiêm khảo sải déng ea KUBOTA - RK Tby lục Froude
128 trên băng thủ Froude
5.2 Kiểm chứng mơ hình tính tốn NO, của động cơ Diesel phun gián tiếp bằng
thực nghiệm trên động cơ KUBOTA:
Các kết quả thí nghiệm dùng so sánh nhận được khi thực hiện trên hệ thống thí
nghiệm như đã mơ tả trong mục 5.1 Các số liệu sử dụng tính tốn được lựa chọn như chế
độ thí nghiệm và thơng số kết cầu của động cơ KUBOTA 42.1 Kiểm chứng khi thay đối gĩc phun sớm:
NOx tint toan 45 - NOx thi nghiérn 80 —NGx Tình tần Nơng độ NO, (ppm) Nẵng độ NO, (ppm) 1p @ NOx Thinghiem 20 * B— ————— 15 ai —— 1S 18 101 21 226 26 1000 1200 1400 1800 1800 2000 2200 Gĩc phun sớm (độ) Số võng quay (viph)
Hinh 5-3: So sánh kết quả lính tốn và thí Hình 8-4: So sảnh kết quả lính tốn và thí nghiêm
nghiệm NO, của động cơ KUBOTA theo gĩc nồng độ NO, của động cơ KUBOTA theo số vỏng
phun sớm; lượng nhiên liêu cung cấp chu trình quay, lượng nhiên liệu cung cắp chư trình Q„ = 0.0370/CL Q„=0.03g/ct: gĩc phun sớm 2T?!
Trên hình 5-3 so sánh kết quả tính tốn NO, (đường liên) với kết quả thực nghiệm (các điểm đo) ở các gĩc phun sớm khác nhau, kết quả tính tốn và thực nghiệm tương đối
Trang 19phù hợp Dạng dưỡng cong phủ hợp với lý thuyết, tăng gọc phun sớm làm cho thời điểm
bắt dầu quá trình cháy sớm hơn do đĩ làm tăng giá trị áp suất cực dại, rưỡng ứng nhiệt độ
cực dai đạt sắm hơn và giá trị này cũng cao hon vi vậy nồng độ NO, sinh ra lớn hơn
522 Kiếm chúng khi thay đổi số vịng quay:
Trên hình 5-4 so sánh kết quả tính tốn NO, (dưỡng liễn) với kết quả thực nghiệm
tcác điểm đo) ở các số vịng quay khác nhau Cảng tăng số vỏng quay tốc độ vận động rối của khơng khí trong buồng cháy cảng tăng, tốc độ hồ trộn tăng dân đến làm tăng tốc độ
chảy Sự sai lệch giữa tính tốn lý thuyết với thực nghiệm cĩ thế do dơn giản trong giả thiết tính
tốn khi dùng mơ hình rồi k - e -g đặc trưng cho vận dộng rồi của mơi chất trong buơng chảy 5.2.3, Kiém chting khi thay đối hệ số dự tượng khơng Khí:
40 = NOx Tinh toanipamy Ì inh toanpem)
gx mm: & NOx Thinghiém (pom) 50 ff NĨx Thi nghiễm(ppm) & 3® 8s a s 34 5% Š z 20 ơ 8.5 š 30 F 10 s e a i 2S > 2 = 3 Ễ Qe ee _ —— _ z1 i 1 12 13 14 o- - -
Ẹ Hệ số dự lượng khơng khi Hệ sở dư lượng khơng khí
Kinh 6-5: So sảnh kết quả linh tốn vẻ lí nghiệm Hinh 3-6: 3o sánh kết Quả lính toản và thì nghiệm 'ồng độ NO, của động ca KUBOTA theo hé sé aut néng G6 NO, cia déng co KUBOTA theo né sd dur
Ương khơng khí trung bình, n= 1200/ph ương khơng khí trung Đính, n= 2200nh : So sánh kết quả tỉnh tốn và thực nghiệm về nơng độ NO, theo hệ số dư lượng
Khơng khí ở hai số vỏng quay 1200 v/ph và 2200 viph dược trinh bảy trên các hình 5-5 và
28|đam š-6 Kết quả tính tốn khá phủ hợp vúi thực nghiệm Giá trị cực dại của NO, khi tính
tốn và thực nghiệm ở số vịng quay 2200 v/ph sai lệch khơng đáng kể Đối với số vỏng
quay 1200 víph hai giá trị cực đại NO, khi tỉnh tốn và thí nghiệm hơi khác nhau điều nay
cĩ thể do hệ số xét đến vận động xốy lốc dược lựa chon la hẳng số Trong thực tế hệ số
nay thay đổi theo số vịng quay, Đối với động co Diesel, hệ số du lượng khơng khí trung
bình của hồn hợp cháy phụ thuộc trực tiếp vào lượng nhiên liệu cùng cấp chu trình Khi
tăng hệ số dư lượng khơng khí, mặc du nồng độ o xy tăng, những do nhiệt độ cháy giảm,
làm giảm tốc độ phản ứng tạo thành NO, Khi hỗn hợp đậm quá, nổng độ ơxy giảm, chất lượng chảy tơi cũng làm NO, sinh ra giảm
Sự phủ hợp giữa kết quả tỉnh tốn trên mơ hình với kết quả thi nghiệm cho thây các giả thiết trong mé binh xây dựng là hợp ly Do đĩ, chúng ta cĩ thể sử dụng mơ hình để khảo sát các trưởng
Trang 20hop khác của déng co KUBOTA mà điều kiện thí nghiệm khơng cho phép thực hiện dược 5.3 Sử dụng mơ hình tính tốn để khảo sát NO, trong khí xả động cơ Kubota: 5.3.1 Khảo sát ảnh hướng của thời gian cung cắp nhiên liệu:
Kết quả trên hình 5-7 cho thấy, với củng lượng nhiên liệu cung cấp chu trình, cảng rút ngắn thỏi gian cung cấp nhiên liệu nổng độ NO, cảng tăng, điều này phù hợp với lý
thuyết Khi lưu lượng nhiên liệu cùng cắp theo gĩc quay trục khuỷu tăng, lượng nhiên liệu
phun vào đầu quá trình cháy nhiều lên làm tăng áp suất cực đại Do vậy khi thiết kế tối ưu
thời gian cung cấp nhiên liệu cũng cần phải xem xét đến khia cạnh phát sinh NO,
5.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của tý số nén:
Tính tốn các trường hợp tỷ số nền khác nhau (hình 5-Đ), cho thấy khi giảm tỷ số nén, nơng độ
NO, giảm điều này cĩ thể giải thích do quan bệ tỷ lệ thuận giữa nhiệt độ chây cực đại và tỷ số nên NOx (11=35 45) 45 900 - Ee NOx (130 a6} Bà a 7% a 35- = 800 ˆ NĨ (tíe25đơ) | = 30 - ee ¢ g se NOx (1220 6) 9 NOx (024) § 400 7 g 2 NOx {e=23) mà 2% NOx (8221) 5 2 5 6 —- “ Z 400 Zs a 9 310 360 440 30 360 ano Gĩc quay trục khuýu (độ) Gĩc quay true khuyu (66)
Hinh 5-7: Két qué tinh tốn nơng độ NO, động Hình 5-8: Kết qué tinh tốn nơng độ NO, của động cơ
co KUBOTA ứng với các thời gian cung cấp KUBOTA ứng với các tỷ số nén khác nhau
nhiên liệu (n=2200v/ph; Q„ = 0,0370/e† (n=2200//ph.Q,, = 0.0370/ci) 5.3.3 Khảo sát ảnh hưởng của áp suất khí nạp:
Tinh tốn NO, trong buơng cháy
với áp suất nạp khác nhau trình bày trên
hình 5-9 Khi lượng nhiên liệu cung cấp E ‘NOx (pke0 TIMBmZ)
chụ trình khơng đổi, nơng độ NO, giảm z
khi tăng áp suất nạp do tăng hệ số du <
khơng khí trung bình của hơn hợp 2
Zz
Khi sử dụng tăng áp để tăng cơng 34 330 390 370 3980 410 430 460
suất động cơ (tăng được lượng nhiên liệu Gĩc quay trục khuỷo (độ)
cung cấp chu trình) thì khơng làm giãm ————————————————— Hinh 6-9: Kết quả tỉnh tuần nơng đơ NĨ, của động cơ KUBOTA ứng với các áp suất nạp (n=2200v/ph, Qy
= 0,0370/ct; gĩc phun sớm 27°}
Trang 21dugc NO, vi khi dé hé số dụ lượng khơng khí trung bình của hỗn hợp khơng tăng, wong trường
hợp này muốn giảm NO, cân phải kết hợp hỏi hm khí xã
5.4 So sánh kết quả thí nghiệm trên động cơ phun gián tiếp và phun trực tiếp:
Động cơ KUBOTA được tháo bỏ điều tốc Sau khi xác lập dược một chế độ làm việc
ổn định, chúng ta lấy mẫu khí xả dể phân tích nổng độ NO,, độ khĩi Kỹ thuật do được
tiến hành tưởng tự dối với trưởng hợp động cơ phun trực tiếp (4VD 14.5/12-ISRW) để so sánh kết quả
3.4.1 tết quá khảo sát ảnh hướng của gĩc phun sớm-
Thời điểm phun cĩ ảnh hưởng rất lớn đến diễn biến của quá trình chảy vì nĩ ảnh
hưởng trực tiếp giai đoạn cháy trễ, vị trí của diểm nhiệt độ chảy đại cực dại cũng như giá ưị của điểm cực đại, vì thể ảnh hưởng dến sự tạo thành các chất ơ nhiễm
$gs Gz1(n=2200vip) — & g2 GaBin © NĨx Gai 260 '2200uiph) 280 3 220 nm = = 190 soe 3 3 2 160 dụ Z 3 30 140 20 120 - ¬ t6 l8 202224 M2 Bw Gĩc phun sớm (đĩ) Gĩc phun sớm (độ)
thnh 5-10: Kết quả NĨ, và g, ở hai số vịng nh 5-11: Kết quả NO, và g, của động cơ4VD
quay theo gĩc phun sơm khi Q„ = 0.03g/ct của 14.5/12-ISRW Ø hai vị trí ga khác nhau động co KUBOTA khỉ sỐ vịng quay n=2000/ph
Hình 5-10 biểu diễn kết quả nềng độ MO, nhân được ứng với hai số vịng quay động
cơ khác nhau và củng lượng nhiên liệu cung cấp, C chế đệ tốc độ cao n = 2200 wph, gic
trị nơng độ NO, lớn hơn so với số vịng
30 TS
quay nhỏ n 1200 vinh VÌ động cơ % 9 4 KUBOTA cĩ buồng cháy xốy lốc nên khi = tăng tốc độ, do vận động rồi hỗn hợp cháy =
lam sự khuếch tán của oxy vào vủng cĩ
nhiệt độ cao của ngọn lửa tăng, chất lượng os —? SN
cháy tốt hơn hiệu suất cháy cao hơn, nhiệt ˆ +Đ6khdi 35
ˆ 1 a wa + + a TO A
độ chay cao hơn nên NO, nhiều hơn, Khi “ở m¬" Tà vn Ta 165 18 195 2 225 2 255
do suất tiêu hao nhiên liệu giả Cac giá trị
: > Le , Gĩc phun sớm (đơ)
gĩc phun sớm của nhiền liệu khác so với
thiết kế đếu làm suất ¡iêu hao nhiền liệu - 99 5 - 12 Xết quả NĨ, và đỗ khĩi khí (1,
ở số vịng quay 2000jph của động cơ KUBOTA
Trang 22
cĩ xu hưởng tăng, Khi phun muộn thi do ảnh hưởng của cháy rớt, con khi phun sém thi do ảnh hưởng tổn thất áp suất So sánh với kết quả thí nghiệm trên động cơ PTT 4VD
14.5/12 -1SRW trên hình 5-11 cho thấy qui luật thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu và NO, theo gĩc phun sớm cũng tương tự
Khao sat quan hệ theo gĩc phun sớm của nơng độ NO, và độ khĩi khi cùng lượng, nhiên liệu cung cấp chu trình và củng chế độ tốc độ thể hiện trên hình 5-12 cho thấy ling
gĩc phưn sớm thì NĨ, tăng trong khi đĩ độ khĩi lại giảm do lượng bề hĩng bị ơ xy hố tăng trong giai đoạn cháy nhanh Kết quả khảo sảt một động cơ PGT trong tải liệu của
TURUHAMA cũng cho qui luật tương tự
Đổi với động cơ PTT và PGT gĩc phun sĩm là thơng sé nhạy cảm đến néng độ NO,
việc điển chỉnh thơng số này cần phải phù hợp với chế độ tải và tốc độ động cơ để tránh su gia tầng suất tiêu hao nhiên liệu và sự phát sinh các chất ơ nhiễm khác
54.2 Kết quả kháo sát ánh hưởng của chế độ tải: A~ g8[1300x/ph} =¬ 8 se „ng 256 -ức zo S20 4 = 14 | 4 ; 100 £ 2 wo E Ệ 186 a 2] = = 3 Ÿ ám & ? os 8 26 28 2 32 4s 36 38 4 4d «
Tai trong (kGm) Tải trong (kGm)
tũnh ã - 13: Kết quả thí nghiệm NO, và g, theo Hình 6 - 14: KẾt quả thí nghiệm NO, và q„ theo phụ lái
phụ lái của động ca KUBOTA của động cơ 4UD 14.3/12-1SRHP
Chế độ thí nghiệm này được thực hiện khi giữ cổ định số vịng quay và tăng dẫn phụ
tái cho động cơ So sánh nồng độ NO, khi thay đổi phụ tải cla déng co PGT 6 hai mic
tốc độ khác nhau (hình 5-13), cho thấy ĩ giá trị tải thấp NO, tầng lên íL ở khu vực tải trọng lớn NO, tăng lên rất nhanh Điều này được giải thích do lượng nhiên liệu cung cấp tăng
khi tải tăng làm cho nhiệt độ trong buồng cháy tăng Trong khi đĩ suất tiêu hao nhiên liệu đạt cực
tiểu Š giá trị 3,3kGm (n=1300v/ph) và 3,68kGm (n= 2000v/ph)
Kết quả nhận được đối với động cơ PTT 4VD 14.5/12-ISRW (hình 5-14) cĩ thể giải thích
tưởng tự như trường hợp động cơ PGT Dạng dường cong cũng phù hợp các nghiên cứu của tác giả
5.4.3 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của chế độ tốc độ:
Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến sự biển thiên NO, ứng với từng vị trí ga khác
Trang 23nhau được trình bảy trên hình Š L§ Nhìn chung, NĨ, vĩ xu hướng t ng theo tốc độ động cơ Điều này thể hiện rõ vai trở của sự rối đối với NO, Sự rối lâm tầng nhiệt độ quá trình cháy và tăng sự khuếch tán oxy vào ngọn lửa, dĩ là nguyên nhân trực tiếp làm tăng NO, 240 35 QNOx (Gal, “ANOxiGas) 75 20 dã ¬ 35 - z= 200 + _ S 180 Be 3 E : ¬ o 2 ễ = l8 tạo ae 2 = ys 8 B wo 2 2 S s 8 2 120 ø oO ga (gat) ge gas} + 28 125 190 - NOx (ga!) [NOx(gaii 15 39 = - 16 ——— a 1000 1200 1400 1603 "800 200) #200 Số vịng quay (viph)
Hình § - 18: Két quá nơng d6 NO, va ge cua nh 5 - 16: Kết quả nơng đỏ NĨ, va đỏ khỏi của
động cơ KUBOTA theo số vỏng quay khi động cơ KUBOTA theo số vong quay Quz0 03q/ct và („=0 0374/Ct goe phun 27 Q,=0.03g/ct và Q, 02370 gĩc aÙun 212
Hình 5-¡6 biểu diễn kết quả do đạc nơng độ N
„ và độ khĩi theo xổ vịng quay Đối với độ khĩi, khi tăng số vỏng quay độ khĩi giấm một ít, nhưng 4 sé vĩng quay cao dé
khĩi tăng lên do giảm thời gian oxy hod bé hong Tuy theo vị ui ga ma dun hưởng nảy
khác nhau Tốc độ động cơ ảnh hưởng tỷ lệ nghịch đến sự tạo thành bộ hồng, suất tiêu hao
nhiên liệu vả tỷ lệ thuận đến sự tao thanh NO,
5.4.4 Két quá kháo sát quan hệ của nhiệt độ khí thái và nơng độ NƠ,- J00 230 750 2 ROx mA 200 Age 280 = OS en 40 £ Ễ 180 280 8 3 3 180 3 352 mã = 180 “2 ‘2 15 = x s E BOS đ 10 & 3 z sp © ` 30 ase 2 3 7 oe 5 = ONOx 15 gan - ee 90 ne 10 400 B500 600 700 300 #0 330 800 S50 0o
Nhiệt độ khí thải (K} Nhiệt độ khi thải (K)
tính 8- 17: Biến thiên nơng độ NĨ, vả ge cua Hinh 5 - 18 Bién thiên nơng dé NO, va ge của động
d6ng co4VD 14.5/12-1SRW phun wuc tgp; gée cơKUBOTL theo nhiệt độ khí thái khi Q,=0.030/ct Phun som 242 gĩc phùn sĩn 2172
Nhiệt độ khi thải là một trong các thơng số thể hiện chất lượng quá trình cháy, dây là thơng
sỐ quan trọng đùng trọng kỹ thuật chấn dốn động cơ Biến thiên nơng dộ NĨ, và suất tiêu
Trang 24hao nhién ligu g, theo nhiệt độ khi thải được trình bảy trên hình 5-17 (đối với dong co phun trực tiếp) và hình 5-18 (đối với động cơ phun gián tiếp) cho thấy: khi nhiệt độ khí
thải tăng thì NĨ, tăng và g„ giảm Khi gi ên vị trí re 2 ae giữ nguyên vị trị ga, giảm dân 200vph} A NĨx (n=2000viph} phụ tải, tốc độ động cơ tăng lên, giảm & Khĩc [n=1200v/ph) — W Khơi (n=2000v/phj a Ắ ts ` + ta x 100
tổn thất nhiệt cho thành xi lanh, nhiệt độ &
khí thải tăng, NO, tăng lên nhanh Ở hai
vị trí ga lớn (q„ =0,37g/ct) và nhỏ (qạ =
40 -
0.3g/ct) quan hệ của nhiệt độ khi thải và ¬ ee
nơng độ NO, như nhau Kết quả này thể TƠ 19 Nơng độ NO, (ppm) & 2 hiện sự mẫu thuẫn trong việc tăng tính kinh ¬ Nhiệt độ khí thải (K) 806 tế nhiên liệu và hạn ché néng độ NO,
54.56 Kết quả kháo sát Ảnh hưƯỚng tình 6-18: Biến thiên nơng độ NĨx và độ khĩi của của hệ số dư lượng khơng khí: động cơ KUBOTA theo nhiệt độ khí thái
Hình 5-20 hình 5-21 trình bảy biến ở hai số vịng quay khác nhau; gĩc phun sĩnf 217
thiên nơng độ NO, và suất tiêu hao nhiên liệu theo hệ số dư lượng khơng khí của động cơ KUBOTA lâm việc ổ số vỏng quay 1200 víph và 2200 v/ph Mỗi dưỡng cong cĩ một giá
trị cực đại và vị tí cực đại này dịch về phía phải (ơ tăng) khi tốc độ động cơ giảm Ở ốc
đệ động cơ thấp, do xốy lốc giảm, sự khuếch tấn oxy vào vùng cĩ nhiệt độ cao cũng giảm do vậy vị trí NO, đạt cực đại tướng ủng với giá trị œ cao hơn Tại khu vực g„ đạt cực
tiểu thì NO, đạt cực đại, đĩ là đo ảnh hưởng của hiệu suất chảy dến g„ và NO, trái ngược nhau 40 ae s0 210 a ˆ 220 _ 30 dha £ £ = ˆ 5 = ; 5 20 Š: 5 § Sa g & % Ex Ễ = Ẹ e Z0 % @ = £ 16 5 0— NOxn= 1200viEh) xin dm 1200vJph) sh sọ S đ = 3 ở -A— geinz1200//ph] oe ———— —¬- 18 1 t1 12 L8 14
tệ số dư lượng khơng khi tễ số dư lương khơng khi
Hình 5-20: Kải quá nơng độ NO, vả suất tiêu Hình 6-21: Kết quá nơng độ NĨ, và sUẤT liêu hao
hao nhiên liệu của động cơ KUBOTA theo hệ số nhiên liệu của động cơKUBOTA theo hệ số dư
dư lượng khơng khí ớ số vịng quay n = 1200 lượng khơng khí ĩ số vịng quay n = 2200 viph; v/ph; gĩc phun som 21° gĩc phun sớm 27°
Trang 25dự lượng khơng khí d số vong quay 2000 v/ph của động cơ PTT Kết quá cho thấy qui luật thay đổi tương tự như động cơ phun giản tiếp, tuy nhiên tíng với hỗn hợp lỗng hơn
Các giá trị ơ thập hơn 1.45 chting téi khong đo dược vì động cơ cĩ quá nhiều khĩi đen và làm việc
khơng én dịnh Kết quả thí nghiệm Khi œ=1200v/ph cũng tương tị Hình 5-23 thể hiện kết quả đo nơng độ
NO, và độ khĩi theo hệ số dư lượng khơng Khí khi ở số vỏng quay 1200 v/ph cho thấy cảng tăng hệ số dư lượng khơng khí NO, vang siảm vì khi đĩ, mặc dủ lượng oxy tặng
nhưng do ảnh hướng của nhiệt độ cháy
làm cho NĨ, giảm Trong khi đĩ, độ
giảm khí tăng hệ số dư lượng khơng khí Giảm hệ số dư lượng khơng khí thi NO, tuy nhiên khi vượt qua giá trị nịng độ hỗn nop chay 6 giới hạn thi quá trình chảy lại kém di vừa ảnh hưởng của nhiệt độ c
giảm vừa ảnh
hưởng của việc hỗn hợp chảy thiểu ơxy nên NĨ, giảm rất nhanh,
Kết luận chương 5: Kết quả tính tốn theo
mơ hình dã xây dựng phù hợp với kết quá thí nghiệm, sự sai lệch giữa kết quả tỉnh và thí nghiệm là do trong mơ hình đã đơn giản hiện tượng thực tế bằng các giả thiết Chương
trình tính tốn cĩ thể sử dụng để dự báo một
số các yếu tổ ảnh hưởng đến quá trình :
ay cũng như nồng độ NO, phát ra ĩ động cơ Diesel phun gián tiếp Tính kinh tế nhiên liệu động cơ luơn là chỉ tiêu mâu thuần với
nồng độ NO, Gĩc phun sớm ảnh hưởng 400 250 250 =e wo mye So 5 AAC me SG ` 2 So wy s , 2 S06 ‘a 1 2 onox SS 3 30 Age số 8 c— na” _ a a t8 2 25 3.5
Hệ số du lưỡng khơng khi
Hinh 6-22: kết quá nơng dé NO, vapsudt tiêu
hao nhiên liệu đối với động cơ ĐTT 4VD t4 5/12-
ISRW ở số vịng guav 20920 V/eh mẮ—NGnsi —®— Đỡ thải ự NĨ, (ppm)
tính 5 -23: Kết quả nơng độ NĨ, vả độ khỏi của
động cơ KUBOTA theo hệ số đư lượng khơng khi
ở số vịng quay n =1200V/ph; gĩc phun sim 2P
đến thời điểm dạt nhiệt độ cực dại trong buồng chảy và độ lớn của nhiệt độ này, do vậy ảnh hưởng đến tốc độ phản tíng tạo thanh NĨ, So sảnh giữa động cơ phun trực tiềp vả
gián tiếp cho thấy ảnh hưởng của các 3
u tế sử dụng, điều chỉnh đến nơng độ NO, trong khi xả giếng nhau, tuy nhiên mức độ khác nhau
Trang 26CHUONG 6:
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIẾN
© Do bệ số dư lượng khơng khí tổng quát cao, việc xử lý NO, trong khí xả động cổ Diesel bằng bộ xúc tác hiện chưa hiệu quả Do đĩ cần nghiên cứu hạn chế NĨ, ngay trong quả trình cháy của déng co Diesel
® Mơ hình cháy xấp x! dai lượng bảo tồn cho phép xác định được phân bổ nhiên liệu và ơxy tong khu vực buồng cháy vi vay cĩ thể ứng dụng để xây dựng mơ hình tính tốn quá trình cháy và hình thành các chất ơ nhiễm trong động cơ Diesel PGT
© Mơ hình tỉnh tốn đã thiết lập đổi với động co Diesel PGT cho kết quả phù hợp
với thực nghiệm, diéu nay khẳng định tính hợp lý của các giả thiết và của mơ hình
© Kết quả tính tốn nơng độ NO, theo động học phản ứng cho thây khoảng 20 - 30" sau
DCT néng dé NO, gan như khơng thay đổi, đây chính là nêng độ nhận được trên đường thải
© Tốc độ phản ứng hình thành NO, phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ của quả trình
cháy Vị vậy, tất cả các nguyên nhân vận hành, điều chỉnh gây tăng nhiệt độ đều fam cho nơng độ NĨ, tăng,
© Việc hạn chế nễng độ NO, trong quá trình cháy của động co Diesel cần phải được xem xét đồng thời với việc hạn chế bổ hỏng và đảm bảo tính kinh tế nhiên liệu Khi động cơ làm việc ở chế độ tốn tải thi nỗng độ NO, và bé hong dau tăng, đồng thoi tinh kinh tế nhiên liệu giảm
© Mặc du trong diều kiện Việt nam cơ số vật chất cịn rất hạn chế nhưng việc tiến
hành nghiên cứu thực nghiệm là cần thiết nhằm kiểm chứng kết quả nghiên cứu lý thuyết
Chỉnh vi vậy các thi nghiệm trong luận án này được tiếp hành tỶ mở với các dung cy do cĩ độ chính xác cao
© Những kết quả của luận án này giúp định hướng cho các cơ quan quản lý mơi trưởng cũng như người sử dụng trong việc điều chỉnh động cơ, lựa chọn chế dộ vận hành hợp lý cho động cơ nhằm hạn chế mức độ phát thải chất ơ nhiễm và đảm bảo tính kinh tế nhiên liệu
Hướng phát triển của đề tài:
Mơ hình tính tốn cĩ thể được phát triển theo hướng đa phương, đa khu vực Với
việc bổ xung ảnh hưởng của vận động rối trong quá trình cháy và qui luật cụng cấp nhiên
liệu theo dúng điều kiện thực tế của động cơ cũng như qui luật bay hơi và hồ
ơn nhiên liệu trong quá trình hình thành hỗn hợp Mặt khác, việc kiểm chúng thêm kết quả tính
toan với các động cơ Diesel phun giản tiếp khác cũng cần được tiến hành để cĩ thể xác
định một cách tổng quát các hệ số hiệu chỉnh thích hợp
Trang 27DANH MUC
CÁC CƠNG TRÌNH CĨ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ĐÃ CONG 86
[1], BUI VAN GA, TRAN THANH HAI TÙNG,TRẤN VĂN TẾ Gĩp ghản nghiên cứu qui trình thở các
chỉ tiêu ð nhiễm của ð lơ Tạp chỉ: Giao thơng vân tải số tháng 7/1995, Trang 42 - 43
BÚI VĂN GA, TRẤN VĂN NAM, TRẤN THANH HAI TÙNG,TRẤN VĂN TẾ Bồ hong trong kat xa
déng co Diesel, Tap chỉ Giao thơng van tai sé 2(tr 62-63),
BUI VAN GA, TRAN VAN NAM, TRAN THANH HAI TUNG,TRAN VAN TE 6d hồng trong &hí xã động cơ fiesel Tạp chí Giao thơng vàn tải số 3(tr 43-44)/1996
BULVAN GA, TRAN THANH HAI TUNG, TRAN VAN TE Nghién cuu anh hudng ctia cdc yéu té
van hanh dén ndng dé NOx trong khí xả động cơ Diesel phun gián tiếp Tap chi Giao thơng văn tai số tháng 6/1998 Trang 80 - 52
._ BÙI VĂN GA TRAN THANH HẢI TÙNG,TRẤN VĂN TẾ, “háo sái các yấu (Ư ánh hưởng đến tính
kinh lễ và múc đỗ phải sinh MO, của động cơ 4VD 144/12 151W Tap chiÕiao thơng vận tải số
tháng 8/1998 Trang 21 - 24
BUI VAN GA, TRAN VAN NAM, TRAN THANH HAI TUNG Aida nghị về các chí liêu và qui trình đo mức độ ư nhiễm của ơ tơ Hơi nghị Quốc 1ê cơng nghệ ơ tơ ICAT" 96, 022/TC1,Ïr144 - 148 Hã nội
1998
TRAN THANH HAI TUNG, 8UI VAN GA 4a hướng của chế độ sử dụng động cơ Diesel đồn sự
tạo thẳnh bỏ hỏng Hội nghị Quốc tế cơng nghệ ơ tị ICAT' 96, 022/TC1,Tr278 - 281 Hà nĩi 1998
BÙI VĂN GA, TRAN VAN NAM, TRAN THANH HAI TUNG, PHAM XUAN MAI, 46 finn hos quá
trinh chay trong động cơ đổi trong Nhã xuất bán Giáo dục 1997
Để tải khoa học cáp bộ B96-15-TĐ-01 Ajg/uản cưu ư nhiễm mỏi trưởng đo các nhưởng tiên vận tải gây ra Do PGS TS Bui Van Ga chủ trí Tham gia: Tran Thanh Hải Tùng, Trần Văn Nam Ngniêm
thu 12/1996
[10] BUI VAN GA, TRAN THANH HAI TUNG,TRAN VAN TE Tinh (ốn nồng độ nhiền liệu vả ư xy trong ngọn lửa Diesai_ Hội nghị khoa học Trường Đại hoc Bach khoa Ha néi nhan dip 40 nam.Ha
nội 1996
[11], TRAN THANH HAI TUNG Phuong an do độ khỏi khí xá, Tap san Khoa hoc Bai hoc Bach khoa Da nang, Số 2(8/1995) Trang 71- 73
[12], TRAN THANH HAI TUNG, Chon chế độ sử dụng đơng cơ hgp lÿ nhằm giảm bỏ hĩng Tập san