ẢNH HƯỞNG của CÁC THÔNG số vận HÀNH đến QUÁ TRÌNH CHÁY ĐỘNG cơ VIKYNO RV125 sử DỤNG NHIÊN LIỆU KÉP CNG DIESEL

ẢNH HƯỞNG của CÁC THÔNG số vận HÀNH đến QUÁ TRÌNH CHÁY ĐỘNG cơ VIKYNO RV125 sử DỤNG NHIÊN LIỆU KÉP CNG DIESEL ẢNH HƯỞNG của CÁC THÔNG số vận HÀNH đến QUÁ TRÌNH CHÁY ĐỘNG cơ VIKYNO RV125 sử DỤNG NHIÊN LIỆU KÉP CNG DIESEL ẢNH HƯỞNG của CÁC THÔNG số vận HÀNH đến QUÁ TRÌNH CHÁY ĐỘNG cơ VIKYNO RV125 sử DỤNG NHIÊN LIỆU KÉP CNG DIESEL ẢNH HƯỞNG của CÁC THÔNG số vận HÀNH đến QUÁ TRÌNH CHÁY ĐỘNG cơ VIKYNO RV125 sử DỤNG NHIÊN LIỆU KÉP CNG DIESEL ẢNH HƯỞNG của CÁC THÔNG số vận HÀNH đến QUÁ TRÌNH CHÁY ĐỘNG cơ VIKYNO RV125 sử DỤNG NHIÊN LIỆU KÉP CNG DIESEL

Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ VẬN HÀNH ĐẾN QUÁ TRÌNH CHÁY ĐỘNG CƠ VIKYNO RV125 SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KÉP CNG-DIESEL EFFECT OF OPERATION PARAMETERS ON COMBUSTION ENGINE VIKYNO RV125 USING DUAL FUEL CNG-DIESEL Trần Thanh Hải Tùng 1a, Đỗ Văn Dũng2b, Huỳnh Phước Sơn2c, Nguyễn Đình Quý 2d Trường Đại học Đà Nẵng; Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh; a haitungdng@gmail.com; bdodzung@hcmute.edu.vn; csonhp@hcmute.edu.vn; dndquybkc4@gmail.com; TÓM TẮT Bài báo trình bày kết nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số vận hành (góc phun sớm, độ đậm đặc hỗn hợp, tốc độ động cơ) đến quá trình cháy của động VIKYNO RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel phần mềm tính toán động lực học lưu chất FLUENT Kết tính toán mô phỏng cho thấy điều kiện động vận hành ở tốc độ 2000 vòng/phút góc phun sớm tối ưu là 200 (BTDC), đó công thị của chu trình lớn nhất; đồng thời tăng độ đậm đặc của hỗn hợp, hàm lượng CO sinh sẽ tăng cao; tính toán mô phỏng cho thấy công thị động giảm tốc độ động tăng Kết đạt được sở cho việc định hướng nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel mô hình thực nghiệm Nghiên cứu này có ý nghĩa cho phép giảm bớt các thử nghiệm phức tạp, giảm chi phí tiết kiệm thời gian thử nghiệm Từ khóa: động VIKYNO RV125, CNG-diesel, CRDI, Fluent ABSTRACT The paper represents the research results about the effects of operation parameters such as advance injection angle, fuel-air mixture, engine speeds on combustion of VIKYNO RV125 engine which uses dual fuel CNG-diesel by computational fluid dynamics FLUENT software The calculating and simulating results show that the optimal advance injection angle is about 200 (BTDC) for engine speed at 2000 rpm and it has maximum indicated mean effective pressure (IMEP) When we increase mixture to rich ratio, amount of CO is also high The calculating and simulating also show that the engine performance will decrease when engine speeds are increased The paper results are basic for researching, designing and manufacturing fuel system which is controled and provided dual fuel CNG-diesel on the experimental model This study also allows reduce complexity, costs and save time for engine testing Keywords:VIKYNO RV125 engine, CNG-diesel, CRDI, Fluent ĐẶT VẤN ĐỀ Khí thiên nhiên nén CNG (Compressed Natural Gas) với thành phần chính là khí Methane CH4 (70 ÷ 95%), có nhiệt trị cao được xem là nguồn nhiên liệu sạch và có trữ lượng lớn được nghiên cứu sử dụng thay cho các nhiên liệu truyền thống xăng và dầu diesel nhằm giải vấn đề khan nhiên liệu và giảm khí phát thải độc hại, bảo vệ môi trường Trong đó, hướng nghiên cứu sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel các động diesel hiện có được xem là có tính khả thi nhằm tiết kiệm chi phí chuyển đổi và phù hợp với hạ tầng cung cấp khí CNG hiện Nghiên cứu cải tạo động VIKYNO RV125 thành động nhiên liệu kép CNG-diesel được thực hiện nhằm góp phần nghiên cứu hoạt động của động nén cháy có tỷ số nén cao chạy hỗn hợp nhiên liệu kép CNG-diesel Trong 434 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV thực nghiệm này, hệ thống nhiên liệu diesel kiểu PF được thay hệ thống nhiên liệu Common Rail Diesel Injection (CRDI) và hệ thống nhiên liệu CNG được cung cấp theo phương pháp phun đường ống nạp, đó diesel đóng vai trò phun mồi để tạo tia lửa đốt cháy hỗn hợp khí CNG Việc sử dụng hệ thống CRDI điều khiển điện tử nhằm giúp cho việc điều khiển, kiểm soát được thời điểm phun, lượng phun dầu diesel và khí CNG một cách thuận lợi và hiệu quả, nhằm góp phần giảm hiện tượng kích nổ và nâng cao tỷ lệ sử dụng CNG-diesel các chế độ hoạt động của động cơ[3] Để giúp cho việc nghiên cứu thực nghiệm được thuận lợi, việc nghiên cứu tính toán mô phỏng các phần mềm chuyên dụng nhằm khảo sát ảnh hưởng của các thông số vận hành đến tính công tác của động là cần thiết Kết tính toán, mô phỏng giúp cho việc lựa chọn và đề xuất các giải pháp thực nghiệm được phù hợp và bớt phần tốn kém, phức tạp, tiết kiệm thời gian thực nghiệm; đồng thời sở để so sánh đối chiếu với các kết thực nghiệm sau này Nghiên cứu này được thực hiện sở phần mềm tính toán động lực học lưu chất FLUENT, là phần mềm có khả xử lý mạnh, độ chính xác, tin cậy cao thân thiện, phù hợp với các nghiên cứu tính toán mô phỏng quá trình cháy của động sử dụng các loại nhiên liệu kép PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG Mô phỏng quá trình cháy động VIKYNO RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel được thực hiện phần mềm Fluent Các bước xây dựng mô hình, chia lưới không gian tính toán và xác lập điều kiện biên của bài toán được trình bày chi tiết [5] Động nhiên liệu kép CNG-diesel đánh lửa tia phun mồi diesel, đó màng lửa có dạng hình trụ xuất phát từ mũi tia phun nằm buồng cháy omega nằm đỉnh buồng cháy Sau bén lửa, tia phun cháy nhanh tạo thành một đuốc lửa với lượng lớn khiến cho hỗn hợp CNG-không khí được chuẩn bị trước bốc cháy nhanh chóng Chúng ta lần lượt nghiên cứu ảnh hưởng của góc phun sớm, độ đậm đặc hỗn hợp, tốc độ động đến quá trình cháy động VIKYNO RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Ảnh hưởng của góc phun sớm Kết mô phỏng với thành phần hỗn hợp f = 0,054 ứng với  = 1, số vòng quay n = 2000 vòng/phút (v/p), ứng với các góc phun sớm slần lượt là 10, 20, 30, 400 (độ) được phân tích sau Hình Áp suất chỉ thị ứng với s: 10, 20, 30, 40 (độ), n = 2000v/p; = Hình giới thiệu đường cong áp suất thị và hình giới thiệu đồ thị công của động sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel thay đổi góc phun sớm Kết mô phỏng cho 435 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV thấy góc phun sớm càng lớn áp suất thị cực đại càng tăng và đỉnh của đường cong áp suất càng dịch phía tay trái Điều này khiến cho áp suất kỳ nén và kỳ giãn nở tăng dẫn đến công nén và công giãn nở tăng theo Khi mức độ tăng công giãn nở lớn mức độ tăng của công nén công thị chu trình tăng Ngược lại mức độ tăng công giãn nở không bù được mức độ tăng công nén công thị của động giảm Hình Đồ thị công chỉ thị ứng với s: 10, 20, 30, 40 (độ), n = 2000v/p;  Hình cho thấy công thị của chu trình giảm tăng góc phun sớm Hình Công chỉ thị ứng với s: 10, 20, 30, 40 (độ), n = 2000v/p; = Hình cho thấy, động chạy ở tốc độ 2000 v/p, giá trị cực đại của đường công thị ứng với góc phun sớm s = 20 (độ), là góc phun sớm tối ưu ở chế độ này 3.2 Ảnh hưởng của độ đậm đặc hỗn hợp Độ đậm đặc của hỗn hợp tính toán được điềuchỉnh thông qua hệ số tỉ lệ hỗn hợp f (mixture fraction) [7] Tương quan f và ϕ trường hợp nhiên liệu CNG chứa 100% CH4 theo thể tích được tính toán thể hiện bảng Bảng Giá trị thành phần hỗn hợp f theo hệ số tương đương  0,8 0,9 1,1 1,2  f 0,044 0,049 0,054 0,059 0,064 Kết mô phỏng quá trình cháy động ở chế độ số vòng quay n = 2000v/p, góc phun sớm s = 20 (độ) lần lượt ứng với các thành phần hỗn hợp f được biểu diễn sau 436 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Biến thiên nồng độ O2 (n = 2000v/p; s = 20 độ) Hình Biến thiên nồng độ CH4 (n = 2000v/p; s = 20 độ) Hình giới thiệu biến thiên nồng độ O2 nồng độ CH4 buồng cháy chạy CNG có thành phần hỗn hợp thay đổi Khi hỗn hợp nghèo, thành phần O2 hỗn hợp cao thành phần CH4 hỗn hợp thấp Hình giới thiệu sự hình thành CO quá trình cháy của động VIKYNO RV125 sử dụng nhiên liệu kép thành phần hỗn hợp thay đổi Ta nhận thấy hỗn hợp càng giàu hàm lượng CO sinh nhiều so với hỗn hợp nghèo Hình Sự phát sinh nồng độ CO(n = 2000v/p; s = 20 độ) 437 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Biến thiên nhiệt độ trung bình của môi chất(n = 2000v/p; s = 20 độ) Kết tính toán lý thuyết cho thấy hỗn hợp đậm đặc hàm lượng CH4 lại khí thải tăng Nhiệt độ hỗn hợp buồng cháy đường giãn nở tăng theo độ đậm đặc (Hình 7) Theo đồ thị, ta nhận thấy nhiệt độ cao nhất ứng với f = 0,059 (tức  = 1,1) Hình Áp suất chỉ thị theo độ đậm đặc của hỗn hợp (n = 2000v/p; s = 20 độ) Hình Công chỉ thị theo độ đậm đặc của hỗn hợp(n = 2000v/p; s = 20 độ) Hình và biểu diễn đồ thị áp suất thị và đồ thị công của động VIKYNO RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel 438 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình 10 Biến thiên công chỉ thị theo độ đậm đặc hỗn hợp (n = 2000v/p; s = 20 độ) Biến thiên công thị chu trình theo độ đậm đặc của hỗn hợp được giới thiệu hình 10, ta thấy công thị chu trình đạt giá trị cực đại ứng với độ đậm đặc của hỗn hợp giàu  = 1,1 3.3 Ảnh hưởng của tốc độ động Tốc độ động là thông số quan trọng ảnh hưởng đến tính công tác của động Hình 11 giới thiệu diễn biến quá trình cháy ở vị trí 10 độ sau đánh lửa tia phun mồi động chạy ở tốc độ 1200 v/p và 2400 v/p Ta nhận thấy tại một vị trí góc quay trục khuỷu, tốc độ động thấp, màng lửa lan truyền xa so với tốc độ động cao Tốc độ tỏa nhiệt ở tốc độ thấp lớn ở tốc độ cao Tương tự, tại vị trí 20 độ sau đánh lửa diễn biến quá trình cháy được thể hiện hình 12 Tuy nhiên tốc độ động cao, vận động xoáy lốc của dòng khí bên buồng cháy gia tăng, điều giúp cải thiện tốc độ cháy nên sự khác biệt vị trí màng lửa hai giá trị tốc độ không lớn piston ở điểm chết Hình 11 Diễn biến quá trình cháy ở điều kiện (= 350 độ,s = 20 độ= 1) 439 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình 12 Diễn biến quá trình cháy ở điều kiện (= 360 độ,s= 20 độ= 1) Kết mô phỏng diễn biến áp suất quá trình cháy và công thị chu trình của động VIKYNO RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel theo tốc độ quay của động từ 1200v/p đến 2400v/p được thể hiện qua hình 13 14 Do tốc độ động thấp nên thời gian ứng với mỗi độ góc quay trục khuỷu dài tốc độ động cao Điều này có nghĩa là lượng nhiên liệu cháy ứng với mỗi độ góc quay trục khuỷu tốc độ động thấp lớn tốc độ động cao Hình 13 Biến thiên áp suất chỉ thị theo tốc độ động (s = 20 độ,  = 1) Hình 13 giới thiệu đồ thị áp suất thị hình 14 giới thiệu đồ thị công thị động chạy ở tốc độ khác Các thông số vận hành khác của động giữ cố định Ta nhận thấy áp suất thị cực đại của động tăng tốc độ động giảm 440 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình 14 Biến thiên đồ thị công chỉ thị theo tốc độ động (s = 20 độ,  = 1) Hình 15 Biến thiên công chỉ thị chu trình theo tốc độ động (s = 20 độ,  = 1) Hình 15 biểu diễn biến thiên công thị chu trình theo tốc độ động Kết tính toán cho thấy công thị động giảm khoảng 13% tốc độ động tăng từ 1200 v/p lên 2400 v/p Theo hình 16 ta nhận thấy công suất thị của động tỉ lệ nghịch với công thị chu trình tỉ lệ thuận với tốc độ động Do công thị chu trình giảm tốc độ động tăng nên đường đặc tính công suất thị theo tốc độ động không tuyến tính Hình 16 Biến thiên công suất chỉ thị theo tốc độ động (s = 20 độ,  = 1) 441 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV KẾT LUẬN Từ kết tính toán mô phỏng trình cháy nhiên liệu kép CNG-diesel, đồng thời xét ảnh hưởng các yếu tố vận hành đây, ta rút kết luận sau: - Khi động sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel chạy ở tốc độ 2000 v/p góc phun sớm tối ưu là 20 độ - Nhiệt độ hỗn hợp buồng cháy đường giãn nở tăng theo độ đậm đặc của hỗn hợp - Khi hỗn hợp đậm đặc lượng hỗn hợp chưa cháy lại làm cho hàm lượng CO khí thải tăng - Ở số vòng quay thấp tốc độ cháy ứng với mỗi góc quay trục khuỷu cao so với ở tốc độ cao Tuy nhiên tốc độ động cao, vận động xoáy lốc của dòng khí bên buồng cháy tăng mạnh, điều giúp cải thiện tốc độ cháy nên sự khác biệt vị trí màng lửa hai dải tốc độ không lớn piston ở điểm chết - Kết tính toán mô hình mô phỏng phần mềm Fluent nồng độ O2 CH4 ở cuối trình cháy rất thấp Mức độ phát thải giảm cho thấy CNG nguồn nhiên liệu sạch, có ý nghĩa và ảnh hưởng lớn việc sử dụng làm nguồn nhiên liệu thay cho động nhiệt, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường Hướng nghiên cứu sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel cho thấy có tính khả thi cần đầu tư nghiên cứu để đạt kết mong muốn Để nghiên cứu chính xác cần đo áp suất thị xi lanh động và so sánh với kết mô phỏng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Văn Ga, Quá trình cháy Động Đốt NXB Khoa học Kỹ thuật 1997 [2] Nguyễn Tất Tiến, Nguyên lý động đốt trong, NXB Giáo dục, 2000 [3] Trần Thanh Hải Tùng, Đỗ Văn Dũng, Huỳnh Phước Sơn, Nguyễn Văn Long Giang, Thái Huy Phát, Nghiên cứu chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu Common rail dùng nhiên liệu kép CNG-diesel động Vikyno RV125-2 Tuyển tập công trình Hội nghị Khoa học Cơ học Thủy khí toàn quốc, 2013 [4] Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Lê Xuân Thạch, Lê Minh Tiến, Trương Lê Bích Trâm, Trần Thanh Hải Tùng, Nguyễn Thị Thanh Xuân, Động biogas NXB Giáo dục Việt Nam, 2013 [5] Nguyễn Đình Quý, Ứng ḍng hh̀n m̀m lluent t́nh toán m hh̉ng uuá trình cháy động Vikyno RV125-2 sử ḍng nhiên liệu kéh CNG-Diesel Luận văn thạc sĩ 2014 [6] Ansys, GAMBIT 2.4 - Tutorial’s Guide, 2007 [7] Ansys, FLUENT 6.3 User's Guide, 2006 THÔNG TIN TÁC GIẢ Nguyễn Đình Quý, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM Email: ndquybkc4@gmail.com, 0905876239 Huỳnh Phước Sơn, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM Email: sonhp@hcmute.edu.vn, 0903639 216 442 ... với các nghiên cứu tính toán mô phỏng quá trình cháy của động sử dụng các loại nhiên liệu kép PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG Mô phỏng quá trình cháy động VIKYNO RV125 sử dụng nhiên liệu. .. tính toán mô phỏng trình cháy nhiên liệu kép CNG-diesel, đồng thời xét ảnh hưởng các yếu tố vận hành đây, ta rút kết luận sau: - Khi động sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel chạy ở... tốc độ động đến quá trình cháy động VIKYNO RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Ảnh hưởng của góc phun sớm Kết mô phỏng với thành phần hỗn hợp