Góp phần nghiên cứu ứng dụng LPG trên động cơ nén cháy ( Luận án tiến sĩ)

Góp phần nghiên cứu ứng dụng LPG trên động cơ nén cháy ( Luận án tiến sĩ)Góp phần nghiên cứu ứng dụng LPG trên động cơ nén cháy ( Luận án tiến sĩ)Góp phần nghiên cứu ứng dụng LPG trên động cơ nén cháy ( Luận án tiến sĩ)Góp phần nghiên cứu ứng dụng LPG trên động cơ nén cháy ( Luận án tiến sĩ)

i ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG -o-0-o - NGUYỄN VĂN PHỤNG GÓP PHẦN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LPG TRÊN ĐỘNG CƠ NÉN CHÁY LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NẴN – 2014 i ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN VĂN PHỤNG GÓP PHẦN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LPG TRÊN ĐỘNG CƠ NÉN CHÁY Chuyên ngành: Kỹ thuật Động Nhiệt Mã số: 62 52 34 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT N ƯỜ HƯỚN ẪN KH A HỌ : 1: PGS.TS TRẦN VĂN NAM 2: PGS.TS TRẦN THANH HẢI TÙNG NẴN - 2014 i LỜI CAM ĐOAN ôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi ác số liệu, kết nghiên cứu trình bày luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Đà Nẵng, tháng năm 2014 Tác giả luận án Nguyễn Văn Phụng i MỤC LỤC LỜ AM AN i ANH M KÝ H ỆU HỮ Ế Ắ iv ANH M HÌNH viii ANH M ẢN xiii MỞ ẦU NHỮN ÓN ÓP MỚ ỦA LUẬN N hương N H ÊN ỨU ỔN QUAN 1.1 Khái quát 1.1.1 Môi trường phương tiện giao thông 1.1.2 Nhiên liệu thay sử dụng phương tiện giao thông 10 1.1.3 Động nén cháy dùng hai nhiên liệu 14 ình hình nghiên cứu động dùng hai nhiên liệu diesel - LP giới iệt Nam .16 1.2.1 Các nghiên cứu động dùng hai nhiên liệu diesel - LPG giới 16 1.2.2 Các nghiên cứu động dùng hai nhiên liệu diesel - LPG Việt Nam 24 1.2.3 Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu 26 1.3 Kết luận 27 hương Ơ SỞ LÝ HUYẾ ÍNH N QU RÌNH H Y HỖN HỢP DIESEL - LPG - KHƠN KHÍ R N UỒN H Y N ĂN H 28 2.1 sở lý thuyết trình cháy động dùng diesel - LPG 28 2.1.1 Xác định nồng độ oxygen, nồng độ nhiên liệu hỗn hợp buồng cháy ngăn cách 30 2.1.2 Phương trình lượng hỗn hợp hai nhiên liệu 31 2.1.3 Sự lan tràn màng lửa trình cháy hỗn hợp hai nhiên liệu 31 2.1.4 Tốc độ lan tràn màng lửa cháy chảy tầng 32 2.1.5 Tốc độ lan tràn màng lửa cháy rối 33 2.1.6 Nhiệt độ cháy khối lượng riêng hỗn hợp hai nhiên liệu 34 2.1.7 Tính cơng tác động sử dụng nhiên liệu diesel - LPG 36 2.2 háy kích nổ động dùng hai nhiên liệu diesel - LPG 37 2.2.1 Thời kỳ cháy trễ 37 2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến cháy kích nổ động hai nhiên liệu 38 2.3 ác yếu tố vận hành ảnh hưởng đến n ng độ chất ô nhi m động nén cháy 40 2.3.1 Trường hợp động dùng 100 % diesel 40 2.3.2 Trường hợp động dùng diesel - LPG 43 2.4 Kết luận 44 ii hương MƠ HÌNH HĨA QU PH Ơ NH ỄM ỦA N RÌNH H Y X ỊNH MỨ Ơ WL - TURBO DÙNG DIESEL - LPG 45 3.1 iới thiệu phần mềm ANSYS - Fluent 45 3.2 hiết lập mơ hình q trình cháy h n hợp hai nhiên liệu diesel - LPG động WL - Turbo .46 3.2.1 Kết cấu hình học lưới động buồng cháy động 47 3.2.2 Các thông số mơ hình buồng cháy 47 3.2.3 Tính chất nhiên liệu 48 3.3 i n biến trình cháy diesel, h n hợp LPG-khơng khí n ng độ b hóng – NOx bu ng cháy ngăn cách mô Fluent 52 3.3.1 Diễn biến trình cháy nhiên liệu diesel 52 3.3.2 Diễn biến trình cháy LPG buồng cháy ngăn cách 53 3.3.3 Diễn biến nồng độ bồ hóng NOx buồng cháy ngăn cách .54 3.4 ác yếu tố vận hành ảnh hưởng đến tính kỹ thuật động .55 3.4.1 Ảnh hưởng thành phần CO2 hỗn hợp 55 3.4.2 Ảnh hưởng hệ số dư lượng khơng khí 57 3.4.3 Ảnh hưởng tốc độ động 60 3.4.4 Ảnh hưởng lưu lượng diesel phun mồi 62 3.4.5 Ảnh hưởng cháy kích nổ 64 3.5 Kết luận 65 hương XÂY ỰN Ố RÍ HÍ N H ỆM 66 4.1 Mục tiêu, điều kiện, phương pháp nội dung thí nghiệm .66 4.1.1 Mục tiêu thí nghiệm 66 4.1.2 Điều kiện thí nghiệm 66 4.1.3 Quy hoạch thí nghiệm 67 4.1.4 Nội dung thí nghiệm 67 4.2 ố trí thí nghiệm 68 4.2.1 Bố trí hệ thống cấp LPG vào động 1KZ - TE qua họng khuếch tán .68 4.2.2 Bố trí điều chỉnh cung cấp nhiên liệu diesel, phun khí LPG hồi lưu khí thải đường nạp động WL - Turbo 70 4.3 hiết bị A L dùng thí nghiệm .74 4.3.1 Băng thử công suất APA 204/8 74 4.3.2 Thiết bị dùng thí nghiệm 74 4.4 hiết bị cung cấp LP h i lưu khí thải dùng thí nghiệm 77 4.4.1 Bộ hóa – giảm áp 77 4.4.2 Vòi phun LPG 79 4.4.3 Van hồi lưu khí thải 79 4.4.4 Bộ làm mát khí thải hồi lưu 80 4.5 ộ điều chỉnh cung cấp diesel - LP tiết lưu khí thải h i lưu 81 4.5.1 Nguyên lý hoạt động điều chỉnh .81 iii 4.5.2 Các cảm biến sử dụng điều chỉnh .85 4.5.3 Các cấu chấp hành cung cấp LPG hồi lưu khí thải 89 4.5.4 Mạch điện tử điều khiển lưu lượng diesel - LPG hồi lưu khí thải 91 4.6 Kết luận 96 hương KẾ QUẢ HỰ N H ỆM N LUẬN 97 5.1 Kết thực nghiệm 97 5.1.1 Phạm vi làm việc thường xuyên động ô tô du lịch dùng 100 % diesel 97 5.1.2 Vận hành chế độ khơng tải (thí nghiệm động 1KZ - TE dùng diesel - LPG bổ sung CO2) .101 5.1.3 Vận hành chế độ tải thấp (thí nghiệm động WL - Turbo dùng diesel - LPG áp dụng giải pháp hạn chế kích nổ) 102 5.1.4 Vận hành chế độ tải thấp (thí nghiệm động WL - Turbo dùng diesel - LPG điều chỉnh góc phun sớm) .110 5.1.5 Vận hành chế độ tải trung bình (thí nghiệm động WL - Turbo dùng diesel - LPG bổ sung CO2) .114 5.1.6 Thí nghiệm phối hợp giải pháp hạn chế kích nổ .116 5.2 ánh giá kết động dùng LP cho mô thực nghiệm 117 5.2.1 Về áp suất thị động WL - Turbo dùng diesel - LPG chế độ tải trung bình 117 5.2.2 Về công suất mô men động WL - Turbo dùng LPG - diesel chế độ tải trung bình .118 5.2.3 So sánh nồng độ bồ hóng NOx cho mơ thực nghiệm động WL - Turbo dùng diesel - LPG chế độ tải trung bình .119 5.2.4 So sánh nồng độ bồ hóng khí thải, nhiệt độ mơi chất lửa buồng cháy xoáy lốc động WL - Turbo cho phần mềm ANSYS Fluent thiết bị quay phim kỹ thuật số AVL - 513D .120 5.3 Kết luận 122 5.3.1 Kết luận thực nghiệm 122 5.3.2 So sánh kết mô thực nghiệm .123 KẾ LUẬN K ẾN N HỊ 125 Kết luận luận án .125 Kiến nghị nghiên cứu 127 ANH M Ã ÔN Ố 128 L ỆU HAM KHẢ 129 ANH M PH L a iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu mẫu tự La Tinh: Ký hiệu Af D df Di f gct gctCO2 gctds gctLPG Gk GL i Lo lt M1 M2 mb m ”v m v’ mCvkk m vz’ Me mmix mp n n/nn Nc/Nen Ne Pc Đơn vị Diễn giải m² mm mm g/ct g/ct g/ct g/ct kg/s kg/s kgkk/kgLPG m kmolkk/kgnl kmolkk/kgnl kg kmolkk/kgnl kJ/kmolnl kmolkk/kgnl kJ/kmolnl Nm kg kg v/ph ề mặt màng lửa ường kính xi lanh ường kính l kim phun ỷ lệ khối lượng h n hợp F/A lý tưởng hành phần h n hợp (mixed fraction) Lượng nhiên liệu cấp cho m i chu trình rọng lượng khí CO2 tham dự m i chu trình rọng lượng nhiên liệu diesel tham dự m i chu trình rọng lượng LP tham dự m i chu trình Lưu lượng khơng khí nạp vào xi lanh Lưu lượng nhiên liệu LP nạp vào xi lanh Số xi lanh Lượng khơng khí để đốt cháy hoàn toàn kg LP hang độ dài rối Số mol h n hợp khí nạp Số mol sản vật cháy Khối lượng h n hợp khí cháy ỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình sản vật cháy ỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình mơi chất ỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình khơng khí ỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình mơi chất z Mô men động Khối lượng h n hợp khí chưa cháy Khối lượng sản phẩm cháy Số vòng quay trục khuỷu động ốc độ tương đối động ông cản tương đối động ông suất động p suất cuối trình nén kW Pa v pe pf pi pk pth qds Qh Qk qLPG R Re S Sf SL St Ta Tc Tk Pa Pa Pa Pa Pa kJ/ct MJ/kg kg/s kJ/ct J/kg.K mm m² m/s m/s ˚K ˚K °C p suất có ích trung bình p suất trước miệng l phun p suất thị trung bình p suất khơng khí đường ống nạp p suất cuối q trình thải Năng lượng nhiên liệu diesel tham dự m i chu trình Nhiệt trị thấp Lưu lượng khối lượng khơng khí vào đường nạp Năng lượng LP tham dự m i chu trình Hằng số khí lý tưởng huẩn số Reynolds Hành trình pit tơng iện tích miệng kim phun ốc độ màng lửa cháy chảy tầng ốc độ màng lửa rối Nhiệt độ cuối trình nạp Nhiệt độ cuối q trình nén Nhiệt độ khơng khí đường ống nạp Tm ˚K Nhiệt độ h n hợp trước cháy Tp Vc Ve vf Vh Xnal % XNOx(%) Xsoot(%) +dsm i +CO2 +EGR 100%ds ˚K m³ m3/kW.h m/s cm³ Nhiệt độ sản phẩm cháy hể tích bu ng cháy Suất tiêu hao nhiên liệu khí LP có ích ốc độ nhiên liệu LP qua l kim phun F300 hể tích cơng tác xi lanh ỷ lệ lượng LP thay h n hợp N ng độ N x khí thải động N ng độ b hóng khí thải động iải pháp tăng lượng diesel m i iải pháp bổ sung iải pháp h i lưu khí thải iesel làm nhiên liệu cho động vi Các ký hiệu mẫu tự Hy Lạp: ∆P ∆Qh Pa kJ/kg  α α% αb αt βg Δp/Δφ ε εt ηe ηi ηm ηv ηv’ λ2 μh ξ ξb ξz ρ ρk ρL τ τc τt φ φh φs kg/m³ kg/m³ s s ° ° ω rad/s ° - ộ chênh áp suất trước sau miệng l vòi phun ổn thất nhiệt cháy khơng hòan tồn Hệ số tương đương trước màng lửa Hệ số dư lượng khơng khí động ị trí cần điều khiển nhiên liệu diesel bơm cao áp Hệ số bóp dòng miệng kim phun ộ mở vị trí % bướm ga (% tải) thực nghiệm A L óc quay bàn đạp ga so với phương nằm ngang ốc độ tăng áp suất ỉ số nén động ốc độ tiêu tán động rối Hiệu suất có ích Hiệu suất thị Hiệu suất giới Hệ số nạp động dùng diesel Hệ số nạp động dùng LP Hệ số quét bu ng cháy Hệ số lưu lượng LP qua miệng l phun Hệ số cản dòng chảy hai mặt cắt Hệ số lợi dụng nhiệt b Hệ số lợi dụng nhiệt z Hệ số giãn nở sớm Khối lượng riêng khơng khí Khối lượng riêng LP Số kỳ động hang thời gian hóa học hang thời gian rối óc quay trục khuỷu tính từ Hệ số tốc độ LP qua miệng l phun óc phun sớm ận tốc góc vii Các chữ viết tắt : A/D AFV ALU AVL BUS CCR CNG CPS N DME ECE R49 ECU EGR ISP LPG NLTT NOx ONMT P2B2C6 P3B3C4 P4B4C2 P5B5C0 PTGT SAE S TPS ộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số Ơ tô sử dụng nhiên liệu thay (alternative fuelled vehicles) ộ xử lý xử lý số học – logic (Arithmetic Logical Unit) hiết bị thực nghiệm động đốt Hệ thống đường truyền dẫn liệu phận bên vi xử lý từ vi xử lý với bên ỷ lệ lượng thay LP /diesel Khí thiên nhiên (Compressed Natural Gas) ảm biến tốc độ động ( rankshaft Position Sensor) iểm chết ộng đốt ( nternal combustion engine) ộng nén cháy iểm chết Dimethyl ether hu trình thử nghiệm (châu Âu) chế độ tĩnh động diesel lắp ôtô tải hạng nặng ôtô khách (Emission est ycles E E R49 Euro II emission standard) ộ điều khiển điện tử (Electronic ontrol Unit) H i lưu khí thải (Exhaust gas recirculation) hương trình phục vụ ngắt ( nterrupt Service Program) Khí dầu mỏ hóa lỏng (Liquefied Petroleum as) Nhiên liệu truyền thống hành phần khí thải ơxit nitơ Ơ nhi m mơi trường H n hợp 20% propane 20% butane 60% carbonic H n hợp 30% propane 30% butane 40% carbonic H n hợp 40% propane 40% butane 20% carbonic H n hợp 50% propane 50% butane Phương tiện giao thông Hiệp hội kỹ sư ôtô Hoa Kỳ (Society of Automotive Engineers) Sau điểm chết rước điểm chết ảm biến vị trí bướm ga ( hrottle Position Sensor) ... hoạt động ổn định chế độ tải thường xuyên (không tải, tải trung bình tải thấp) Luận án Góp phần nghiên cứu ứng dụng LPG động nén cháy có đóng góp quan trọng cụ thể nghiên cứu sử dụng LP động nén. .. ÊN Ề Góp phần nghiên cứu ứng dụng LPG động nén cháy ẤU RÚ N UN LUẬN N Xuất phát từ mục tiêu phương pháp nêu, luận án tập trung nội dung: 6.1 Nghiên cứu lý thuyết mô hình hóa - Nghiên cứu sở...i ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN VĂN PHỤNG GÓP PHẦN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LPG TRÊN ĐỘNG CƠ NÉN CHÁY Chuyên ngành: Kỹ thuật Động Nhiệt Mã số: 62 52 34 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT N ƯỜ HƯỚN ẪN KH A HỌ