Nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ đốt trong

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa người công bố công trình khác! Đà Nẵng, tháng năm 2018 Tác giả luận án Nguyễn Mạnh Cƣờng I MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC I DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT V DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .IX DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU XII MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan nhiên liệu sinh học biodiesel 1.1.1 Giới thiệu chung nhiên liệu sinh học 1.1.2 Giới thiệu chung biodiesel 1.2 Tổng quan biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao su 10 1.2.1 Đặc điểm chung cao su dầu hạt cao su 10 1.2.2 Đặc điểm tính chất hóa học dầu hạt cao su 13 1.2.3 Đặc điểm tính chất vật lý dầu hạt cao su 14 1.3 Tình hình sản xuất sử dụng biodiesel 15 1.3.1 Tình hình sản xuất sử dụng biodiesel giới 15 1.3.2 Tình hình sản xuất sử dụng biodiesel Việt Nam 17 1.4 Ảnh hưởng nhiên liệu biodiesel đến trình cháy 18 1.4.1 Đặc điểm trình cháy động diesel 18 1.4.2 Ảnh hưởng tính chất nhiên liệu biodiesel đến trình cháy 20 1.4.3 Ảnh hưởng tỷ lệ pha trộn biodiesel 25 1.5 Tình hình nghiên cứu trình cháy biodiesel động diesel 26 1.5.1 Trên giới 26 1.5.2 Tại Việt Nam 30 1.6 Kết luận chương 35 2.1 Mơ hình cháy hỗn hợp khuếch tán khơng hòa trộn trước 36 2.1.1 Mơ hình rối 36 2.1.2 Hệ phương trình tổng quát biểu diễn tia phun rối 37 II 2.1.3 Mơ hình cháy J Abraham 38 2.1.4 Mơ hình cháy trễ Kong Reitz 41 2.1.5 Đại lượng bảo toàn 43 2.1.6 Tốc độ màng lửa rối 44 2.1.7 Tính tốn nhiệt độ 45 2.1.8 Tính tốn đại lượng trung bình 47 2.1.9 Mơ hình hình thành bồ hóng 48 2.1.10 Mơ hình hình thành NOx 51 2.1.11 Mơ hình phát thải HC 52 2.1.12 Mơ hình phát thải CO 53 2.2 Tính tốn mơ q trình cháy biodiesel động diesel 53 2.2.1 Các phần mềm dùng nghiên cứu mô động 53 2.2.2 Giới thiệu mô CFD phần mềm ANSYS FLUENT 54 2.2.3 Mục tiêu, đối tượng phạm vi mô 55 2.2.4 Xây dựng mơ hình hình học buồng cháy rời rạc hóa mơ hình 56 2.2.5 Cài đặt thơng số mơ hình 59 2.2.6 Chế độ mô thiết lập mơ hình mơ 60 2.2.7 Khởi động tính tốn xử lý kết 61 2.2.8 Thiết lập điều kiện biên xác định hệ số hiệu chỉnh mơ hình 61 2.2.9 Đánh giá độ xác mơ hình 64 2.3 Kết luận chương 66 Chương 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 67 3.1 Mục tiêu đối tượng thực nghiệm 67 3.1.1 Mục tiêu thực nghiệm 67 3.1.2 Đối tượng thực nghiệm 67 3.2 Bố trí lắp đặt thực nghiệm 68 3.2.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 68 3.2.2 Lắp đặt động thực nghiệm 69 3.2.3 Bố trí lắp đặt thực nghiệm nội soi buồng cháy 71 III 3.2.4 Giới thiệu trang thiết bị phục vụ thí nghiệm 73 3.3 Phương pháp thực nghiệm 75 3.3.1 Điều kiện thực nghiệm 75 3.3.2 Nội dung chế độ thực nghiệm 75 3.3.3 Quy trình thực nghiệm 77 3.3.4 Điều kiện giới hạn thực nghiệm 78 3.4 Phân tích đánh giá yếu tố tác động đến kết thực nghiệm 79 3.4.1 Ảnh hưởng hỗn hợp nhiên liệu 79 3.4.2 Ảnh hưởng thiết bị thí nghiệm 79 3.4.3 Ảnh hưởng sai số phân tích liệu thực nghiệm 80 3.5 Xử lý kết thực nghiệm 81 3.5.1 Phương pháp toán học xử lý kết thực nghiệm 81 3.5.2 Giới thiệu phần mềm Matlab/Simulink 82 3.5.3 Mã code chương trình tính tốn phần mềm Matlab/Simulink 83 3.6 Kết luận chương 83 Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 84 4.1 Đặc trưng trình cháy hỗn hợp biodiesel từ dầu hạt cao su động diesel Mazda WL 84 4.1.1 Sự ổn định trình cháy động 85 4.1.2 Biến thiên áp suất cháy xylanh động 86 4.1.3 Biến thiên tốc độ tỏa nhiệt xylanh động 90 4.1.4 Biến thiên nhiệt độ cháy xylanh động 95 4.1.5 Tỷ lệ lượng nhiên liệu cháy MFBR khoảng thời gian cháy 98 4.1.6 Hiệu suất cháy 102 4.1.7 Hiệu suất nhiệt 103 4.1.8 Nhiệt độ khí thải 104 4.2 Ảnh hưởng tỷ lệ biodiesel thay đến tiêu kinh tế, kỹ thuật phát thải động diesel 105 4.2.1 Ảnh hưởng tỷ lệ biodiesel đến tiêu kỹ thuật động 105 IV 4.2.2 Ảnh hưởng tỷ lệ biodiesel đến tiêu kinh tế động 109 4.2.3 Ảnh hưởng tỷ lệ biodiesel đến tiêu phát thải động 113 4.3 Trực quan hóa đặc trưng trình cháy hỗn hợp biodiesel từ dầu hạt cao su động diesel Mazda WL 126 4.3.1 Kết mơ diễn biến q trình cháy động Mazda WL 126 4.3.2 Trực quan hóa q trình cháy biodiesel động Mazda WL phương pháp nội soi buồng cháy 131 4.4 Kết luận chương 136 KẾT LUẬN 140 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN - TÀI LIỆU THAM KHẢO - - V DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu mẫu tự La Tinh : D [mm] Đường kính xylanh Gnl [kg/h] Lượng tiêu hao nhiên liệu gi [kg/kW.h] Suất tiêu hao nhiên liệu thị ge [kg/kW.h] Suất tiêu hao nhiên liệu có ích i [-] Số xylanh Li [N/m] Công thị Me [N/m] Mô men đầu trục khuỷu Memax [N/m] Mô men cực đại M0 [Kmol/kg] Lượng khơng khí lý thuyết Ne [kW] Cơng suất có ích động Nedm [kW] Cơng suất định mức Nemax [kW] Cơng suất có ích cực đại n [v/ph] Số vòng quay động ndm [v/ph] Số vòng quay định mức ngemin [v/ph] Số vòng quay ứng với ge nhỏ nmax [v/ph] Số vòng quay cực đại nM [v/ph] Số vòng quay ứng với Me cực đại pe [N/m2] Áp suất có ích trung bình pi [N/m2] Áp suất thị trung bình pk [N/m2] Áp suất trước xú-páp nạp Ta [K] Nhiệt độ cuối trình nạp pa [N/m2] Áp suất cuối trình nạp QH [J/kg] Nhiệt trị thấp kg nhiên liệu S [mm] Hành trình pít-tơng Tk [K] Nhiệt độ trước xú-páp nạp Vh [m3] Thể tích cơng tác qi [j/kW.h] Nhiệt lượng tiêu hao VI wphun [m/s] Vận tốc phun p’ [kG/cm2] Áp suất phun trung bình p'k [kG/cm2] Áp suất khơng khí nén xylanh t [s] Thời gian phun v [dm3/ct] Thể tích nhiên liệu cấp cho xylanh g [kg/ct] Lượng nhiên liệu cấp cho xylanh M1 [kg/s] Lưu lượng nhiên liệu ban đầu khỏi vòi phun M [kg/s] Lưu lượng tổng cộng hỗn hợp khí Yox [-] Nồng độ oxy Yf [-] Nồng độ nhiên liệu Tox [oC] Nhiệt độ nguồn oxy Tf [oC] Nhiệt độ nguồn nhiên liệu Tad [oC] Nhiệt độ cháy đoạn nhiệt nhiên liệu oxy Các ký hiệu mẫu tự Hy Lạp :  [-] Số kỳ động  [rad/s] Tốc độ góc động i [-] Hiệu suất thị  [-] Hệ số tăng áp  [kg/m3] Khối lượng riêng vt [-] Độ nhớt động học rối U, V [-] Đại lượng tốc độ dòng rối L [-] Độ dài hỗn hợp Kv [-] Hằng số tỷ lệ Prt [-] Hằng số Prantl  [-] Hệ số giản nở nhiệt môi trường t [-] Hệ số nhớt rối Mt [-] Số Mach VII a [m/s] Vận tốc âm k [-] Hệ số lượng rối động học  [-] Hệ số tiêu tán động rối  [-] Đại lượng bảo toàn Các chữ viết tắt : ASTM American Society for Testing and Materials (Hiệp hội vật liệu thử nghiệm Hoa Kỳ) EN Europe standard (Tiêu chuẩn Châu Âu) RBDF Rubber Biodiesel Fuel (Nhiên liệu sinh học từ dầu hạt cao su) FFA Free Fatty Acid (Axit béo tự do) RSO Rubber Seed Oil (Dầu hạt cao su) BMEP Brake Mean Effective Pressure (Áp suất có ích trung bình) IMEP Indicate Mean Effective Pressure (Áp suất thị trung bình) MFBR Mass Fraction Burn Rate (Tỷ lệ khối lượng cháy) BTE Brake Thermal Efficiency (Hiệu suất nhiệt) HRR Heat Release Rate (Tốc độ tỏa nhiệt) Ce Combustion efficiency (Hiệu suất cháy) Cd Combustion duration (Khoảng thời gian cháy) COV Coefficient of Variation (Hệ số biến thiên) COV of IMEP Hệ số biến thiên áp suất thị trung bình SOC Start of Combustion (Thời điểm bắt đầu cháy) EOC End of Combustion (Thời điểm kết thúc cháy) SOI Start of Injection (Thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu) ID Ignition Delay (Thời gian cháy trễ) BSFC Brake Specific Fuel Consumption (Suất tiêu hao nhiên liệu) AVL Anstalt für Verbrennungskraftmaschinen List (Tên công ty) APA Asynchron Pendelmaschinen Anlage (Băng thử công suất) DO Diesel Oil (Nhiên liệu Diesel) B15 Biodiesel 15% (Hỗn hợp biodiesel-diesel với tỷ lệ 15%) VIII B20 Biodiesel 20% (Hỗn hợp biodiesel-diesel với tỷ lệ 20%) B25 Biodiesel 25% (Hỗn hợp biodiesel-diesel với tỷ lệ 25%) B30 Biodiesel 30% (Hỗn hợp biodiesel-diesel với tỷ lệ 30%) PTN Phòng thí nghiệm ppm parts per million (Một phần triệu) rpm revolutions per minute (Tốc độ vòng phút) TCVN Tiêu Chuẩn Việt Nam NLSH Năng lượng sinh học PM Particulate Metter (Bồ hóng vật chất hạt rắn) CFD Computational Fuild Dynamics (Động lực học chất lỏng) FDM Finite Difference Methods (Phương pháp sai phân hữu hạn) FEM Finite Element Methods (Phương pháp phần tử hữu hạn) FVM Finite Volume Methods (phương pháp thể tích hữu hạn) TĐCT Trước điểm chết SĐCT Sau điểm chết ĐCD Điểm chết ĐCT Điểm chết DI Direct Injection (Phun trực tiếp) IDI Indirect Injection (Phun gián tiếp) CO Carbon monoxide CO2 Carbon dioxide HC Unburned hydrocarbons NOx Nitrogen oxides Opac Opacity (Độ mờ khói) CA Crank Angle (Góc trục khuỷu) o Độ trục khuỷu TĐ Thay đổi MP Mô TN Thực nghiệm TK IX DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1: Hình ảnh cây, dầu hạt cao su 11 Hình 1.2: Thống kê diện tích sản lượng cao su Việt Nam [113] 11 Hình 1.3: Các khả chế biến từ hạt cao su 12 Hình 1.4: Sản lượng diesel sinh học châu Âu từ năm 1998 đến 2013 [112] 16 Hình 1.5: Sự phát triển lửa trình cháy B0 B100 [28] 24 Hình 2.1: Biến thiên áp suất cháy, tốc độ phun nhiên liệu, tốc độ tỏa nhiệt [61] 40 Hình 2.2: Tốc độ cháy tỷ lệ nhiên liệu cháy theo góc quay trục khuỷu [61] .41 Hình 2.3: Sơ đồ hình thành bồ hóng “8 bước” [69] 50 Hình 2.4: Buồng cháy ngăn cách động Mazda WL- Turbo 57 Hình 2.5: Chia lưới buồng cháy ngăn cách động Mazda WL- Turbo 57 Hình 2.6: Lưu đồ thuật tốn mơ hình cháy mơ Ansys [27] .58 Hình 2.7: So sánh đường cong áp suất nén mô thực nghiệm 63 Hình 2.8: So sánh cơng suất suất tiêu hao nhiên liệu MP TN 65 Hình 3.1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm động Mazda WL-Turbo 69 Hình 3.2: Lắp đặt động thực nghiệm 71 Hình 3.3: Sơ đồ bố trí thí nghiệm nội soi buồng cháy 72 Hình 3.4: Lắp đặt động thực nghiệm nội soi buồng cháy băng thử AVL 73 Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo thiết bị AVL733S 74 Hình 3.6: Biểu đồ chu trình thử ECE R49 [49] 76 Hình 4.1: Ảnh hưởng tỷ lệ nhiên liệu biodiesel đến COV of IMEP 86 Hình 4.2: Biến thiên áp suất xylanh theo mơ .86 Hình 4.3: Biến thiên áp suất xylanh theo thực nghiệm 86 Hình 4.4: Xu hướng thay đổi pzmax DO biodiesel theo mơ 88 Hình 4.5: Xu hướng thay đổi pzmax DO biodiesel theo thực nghiệm 88 Hình 4.6: So sánh quy luật xu hướng thay đổi kết MP TN áp suất cháy cực đại sử dụng nhiên liệu biodiesel 89 Hình 4.7: Biến thiên tốc độ tỏa nhiệt xylanh theo mô 90 ... đạt hiệu Phƣơng pháp nghiên cứu Luận án kết hợp chặt chẽ nghiên cứu lý thuyết, mô với nghiên cứu thực nghiệm 5 Tên đề tài Nghiên cứu trình cháy nhiên liệu biodiesel động đốt trong Ý nghĩa khoa... nghiên cứu Nội dung nghiên cứu luận án bao gồm: - Nghiên cứu sở lý thuyết tính chất đặc điểm trình cháy nhiên liệu biodiesel động diesel - Nghiên cứu lựa chọn mô hình tốn phần mềm mơ - Nghiên cứu. .. điểm trình cháy động diesel 18 1.4.2 Ảnh hưởng tính chất nhiên liệu biodiesel đến trình cháy 20 1.4.3 Ảnh hưởng tỷ lệ pha trộn biodiesel 25 1.5 Tình hình nghiên cứu trình cháy biodiesel