Nghiên cứu tính năng động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng nhiên liệu xăng ethanol tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN QUANG TRUNG NGHIÊN CỨU TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU XĂNG - ETHANOL Chuyên ngành : Kỹ thuật khí động lực Mã số : 62.52.01.16 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐÀ NẴNG – 2019 -1- Cơng trình hồn thành tại: ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học : GS.TSKH Bùi Văn Ga PGS.TS Dương Việt Dũng Phản biện : ………………………………………………… Phản biện : ………………………………………………… Phản biện : ………………………………………………… Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Đại học Đà Nẵng Đại học Đà Nẵng, Vào hồi : …… …… ngày …… tháng ……… năm 2019 Có thể tìm luận án : - Thư viện Quốc gia Việt Nam Trung tâm Thông tin - Học liệu Truyền thông, ĐHĐN -2- MỞ ĐẦU Tính cấp thiết Việt Nam có tiềm lớn nguyên liệu phục vụ cho sản xuất nhiên liệu sinh học Với lợi Chính phủ có chủ trương đắn thể qua “Đề án Phát triển sử dụng nhiên liệu sinh học đến năm 2015 tầm nhìn đến năm 2025” Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu tính động đánh lửa cưỡng sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol” khơng góp phần giải vấn đề thiếu hụt nguồn nhiên liệu, giảm ô nhiễm mơi trường chống biến đổi khí hậu mà tận dụng lợi Việt Nam Mục tiêu nghiên cứu - Đánh giá tác động hiệu việc sử dụng xăng sinh học tới động động đánh lửa cưỡng lưu hành Trên sở đề xuất khoảng tỷ lệ ethanol hỗn hợp nhiên liệu xăng-ethanol đảm bảo tính kỹ thuật động đánh lửa cưỡng sử dụng ôtô theo điều kiện vận hành - Đề xuất giải pháp cải tiến kết cấu đường nạp, phương thức phối trộn xăng/ethanol cho động đánh lửa cưỡng sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ ethanol thay đổi linh hoạt theo điều kiện vận hành nhằm nâng cao tỷ lệ ethanol Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu động đánh lửa cưỡng xilanh, kỳ, phun xăng đánh lửa điều khiển điện tử, loại động sử dụng phổ biến ôtô du lịch - Phạm vi nghiên cứu xem xét, đánh giá trình phun nhiên liệu, hình thành hòa khí, q trình cháy, tính kinh tế, kỹ thuật phát thải ô nhiễm động đánh lửa cưỡng sử dụng xăng sinh học theo chế độ vận hành -1- Nội dung nghiên cứu - Xây dựng mơ hình 3D-CFD sở lý thuyết tính tốn học chất lỏng (CFD) mô phần mềm Ansys-Fluent - Xây dựng hệ thống thực nghiệm đo đánh giá tính kinh tế, kỹ thuật ô nhiễm động - Hiệu chỉnh mơ hình mơ theo kết thực nghiệm, phát triển mơ hình mơ để mở rộng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp mô thực nghiệm Ý nghĩa khoa học thực tiễn Mơ hình 3D-CFD xây dựng sở phần mềm AnsysFluent cho phép phân tích trình phun nhiên liệu, diễn biến trình hình thành hỗn hợp trình cháy động đánh lửa cưỡng sử dụng đa nhiên liệu Kết mơ từ mơ hình sở khoa học để hiệu chỉnh động phun xăng truyền thống thành động sử dụng xăng sinh học với tỷ lệ ethanol thay đổi theo điều kiện vận hành Kết thực nghiệm tính động sử dụng xăng sinh học phạm vi tỷ lệ ethanol cung cấp phù hợp với điều kiện vận hành thường xuyên động Daewoo A16DMS lên đến E20 Điều góp phần khẳng định tính khả thi lộ trình sử dụng nhiên liệu sinh học theo định 53/2012/QĐ-TTg Thủ tướng Chính phủ Vì vậy, luận án góp phần đảm bảo an ninh lượng quốc gia, bảo vệ môi trường thực cam kết Việt Nam hội nghị COP21 vấn đề chống lại nóng lên tồn cầu Cấu trúc luận án Ngoài phần mở đầu kết luận, nội dung luận án chia làm 04 chương trình bày nội dung sau: Chương 1-Tổng quan; -2- Chương - Cơ sở lý thuyết; Chương - Nghiên cứu thực nghiệm; Chương - Nghiên cứu mơ Đóng góp luận án - Xây dựng thành cơng mơ hình 3D-CFD động phun xăng, cho phép phân tích q trình phun nhiên liệu, đặc điểm hòa khí diễn biến q trình cháy động phun xăng cho trường hợp phun hỗn hợp xăng-ethanol phun riêng rẽ xăng/ethanol - Chứng minh giải pháp phun riêng rẽ xăng/ethanol áp dụng động phun xăng đường nạp động phun xăng trực tiếp đảm bảo khả bay hoàn toàn ethanol tỷ lệ cao mà giúp động thay đổi linh hoạt tỷ lệ ethanol theo điều kiện vận hành Chương TỔNG QUAN 1.1 Sử dụng nhiên liệu thay thế, nhiên liệu tái tạo động ôtô 1.1.1 Những yêu cầu thực tiễn hướng đến sử dụng nhiên liệu sinh học Sử dụng nhiên liệu sinh học nói chung ethanol nói riêng xuất phát từ yêu cầu an ninh lượng, giảm ô nhiễm môi trường cắt giảm phát thải CO2 theo cam kết COP21 nước giới có Việt Nam 1.1.2 Công nghệ cháy sử dụng hai nhiên liệu giải pháp phù hợp hướng đến sử dụng nhiên liệu sinh học động đốt Cộng đồng khoa học hướng tới khái niệm đốt cháy tiên tiến, bao gồm nén cháy với hỗn hợp đồng (HCCI), nén cháy kiểm soát phản ứng (RCCI) đốt cháy phần (PPC) Các nguyên lý cháy trọng đến vai trò nhiên liệu thay ethanol, methanol, khí thiên nhiên, 1.1.3 Tình hình sản xuất nhiên liệu sinh học giới Việt Nam -3- Ethanol thống trị thị trường nhiên liệu sinh học ngày nhờ ethanol có khả sản xuất với quy mô công nghiệp thân thiện với môi trường so với loại cồn khác Việt Nam nước nông nghiệp, loại phế phẩm từ nông nghiệp dồi vùng sản xuất sắn khoai, ngơ, mía đường… Với 50 nhà máy đường nước tổng cơng suất gần 100.000 mía/ngày, khả năm sản xuất 100 triệu lít cồn “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015 tầm nhìn đến năm 2025” Chính phủ Việt Nam thúc đẩy lượng ethanol sản xuất nước đáp ứng nhiên liệu E5 thay cho xăng RON92 phạm vị toàn quốc thời gian qua Đây tiền đề hướng tới sản lượng ethanol sản xuất nước đáp ứng nhu cầu ethanol dung để pha trộn nhiên liệu E10, E15 E20 thay cho xăng RON92 thời tới 1.2 Tình hình nghiên cứu sử dụng xăng sinh học động đánh lửa cưỡng Thông thường, xăng sinh học tạo từ việc pha trực tiếp ethanol vào xăng Khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ ethanol khơng q E20, tính động khơng đảm bảo mà giảm đáng kể phát thải CO, HC CO2 so với xăng thông thường Ứng dụng ethanol làm nhiên liệu cho động đốt công nghệ phun trực tiếp ethanol vào buồng cháy công nghệ phun riêng rẽ xăng/ethanol đường nạp giải nguồn nhiên liệu thay thế, mà tận dụng lợi ích từ nhiên liệu ethanol đem lại để cải thiện hiệu suất động cơ, giảm phát thải đồng thời CO, HC, CO2 hạn chế gia tăng NOx so với công nghệ phun hỗn hợp xăngethanol đường nạp truyền thống -4- Kết luận chương Ethanol nhiên liệu sinh học có khả tái tạo, phù hợp để thay cho nhiên liệu xăng phương tiện giao thơng vận tải Bên cạnh đó, q trình sản xuất sử dụng ethanol không làm phát thải CO2 chu trình cacbon, góp phần chống lại nóng lên tồn cầu theo tun bố chung COP21 Hiện nay, Việt Nam có nhà máy sản xuất ethanol đáp ứng lượng ethanol pha trộn xăng sinh học E5 thay cho xăng RON92 phạm vi tồn quốc Bên cạnh đó, với chế sách từ “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” tạo điều kiện gia tăng sản lượng ethanol để đáp ứng pha trộn xăng E10, E15 E20 thay cho E5 thời gian tới Để khai thác lợi khắc phục bất lợi không nhỏ ethanol sử dụng động xăng cần nghiên cứu giải pháp phun nhiên liệu khác chúng yếu tố ảnh hưởng đến q trình bay hơi, hình thành hòa khí q trình đốt cháy hình thành khí thải có hại Luận án nghiên cứu hệ thống PI DI cho hai phương án phun hỗn hợp xăng-ethanol phun riêng rẽ xăng/ethanol để định hướng thay đổi cần thiết thời điểm phun, bố trí đường nạp nhằm nâng cao tỷ lệ ethanol sử dụng xăng sinh học Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT Computational Fluid Dynamics (CFD) với cơng cụ tối ưu hóa giúp nhìn nhận cách tổng thể nhằm định hướng mục tiêu giới hạn phạm vi thực nghiệm Mơ hình 3D-CFD cho phép xem xét cách chi tiết dòng chảy trường vận tốc, áp suất, nhiệt độ thành phần chất mà khó quan sát động thực tế 2.1 Lý thuyết dòng chảy rối 2.1.1 Mơ hình dòng chảy rối -5- Hệ phương trình học lưu chất thành lập từ kết hợp định luật bảo toàn khối lượng, động lượng lượng    dV     S  udS t V    udV     S   u.dS u    S pdS  V  Fbody dV  Fsurf t V  Dh Dp     k  T    Dt Dt (2.11) (2.13) (2.15) Dòng chảy rối mơ tả thơng qua hệ phương trình Navier – Stokes giải phương pháp trung bình Reynolds (RANs) kết hợp với mơ hình k- tiêu chuẩn 2.1.1.1 Phương trình Navier-Stokes       u     v     w  t x y z (2.16)   p    u u u     ui     uiu j        i  j   ij l   t x j xi x j   x j xi xl       uiu j x j (2.17)   2.1.1.2 Mơ hình k-ε tiêu chuẩn (2.18) (2.19) 2.1.2 Mơ hình dòng chảy rối có phản ứng hóa học CFD mơ hình hóa việc hòa trộn vận chuyển lưu chất cách giải phương trình bảo tồn mơ tả nguồn đối lưu, khuếch tán phản ứng cho chất thành phần theo phương trình vận chuyển chất: (2.21) Tỷ lệ phản ứng Ri tính tốn ANSYS Fluent theo mơ -6- hình Laminar finite-rate: Hiệu ứng biến động rối bỏ qua, tỷ lệ phản ứng xác định biểu thức động học Arrhenius 2.2 Mơ hình kiểm sốt phản ứng lan truyền lửa rối 2.2.1 Mơ hình kiểm sốt phản ứng Q trình biến đổi chất hóa học buồng đốt có liên quan đến tia lửa từ bugi định biến tiến trình phản ứng trung bình c sau:  c       vc      Dt  c    uU t  c t (2.26) Trong đó: Dt - độ khuếch tán rối,  u - mật độ hỗn hợp chưa cháy, U t - tốc độ lửa rối xác định từ mơ hình Zimont,  - mật độ trung bình hỗn hợp, c - tỷ lệ khối lượng chất cháy hỗn hợp  v - vectơ vận tốc 2.2.2 Mơ hình tốc độ lửa rối Zimont: (2.29) A- số mơ hình, u -vận tốc trung bình phương, U l - tốc độ lửa chảy tầng,  -khuếch tán nhiệt không cháy  t - quy mơ độ dài rối 2.3 Mơ hình tia phun Phương trình tổng qt mơ tả q trình phát triển phân rã tia phun có dạng:       U U   k bk t x x k k      kk    x k   S    (2.33) Trong đó, ρ mật độ chất lỏng,  biến chung  độ khuếch tán tương ứng, S đại diện cho thuật ngữ nguồn, Uk (k = 1, 2, 3) đại diện cho thành phần vận tốc, Ubk thành phần vận tốc vùng biên Phương trình mơ tả tốc độ bay có dạng: -7-    dTd f vs   m d c pd  Q 1  L   (2.45) dt  q s   Trong đó: md - Khối lượng giọt; c pd - Nhiệt dung riêng; Td - nhiệt  độ giọt; Q - Nhiệt lượng trao đổi giọt khơng khí xung quanh; qs - thơng lượng nhiệt bề mặt giọt fvs - lưu lượng khối lượng bay hơi; L – nhiệt ẩn bay 2.4 Lý thuyết tính NOx Sự hình thành NOx nhiệt xác định tập hợp phản ứng hóa học phụ thuộc nhiệt độ cao gọi chế Zeldovich mở rộng O  N2  N  NO (2.52) N  O2  O  NO (2.53) (2.54) N  OH  H  NO Kết luận chương 2: Cơ sở lý thuyết mơ hình trình bày số hóa phần mềm Ansys-Fluent Vì vậy, việc mơ q trình phun nhiên liệu, hình thành hóa khí q trình cháy động Daewoo A16DMS hoàn toàn thực phần mềm Ansys-Fluent Chương NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 3.1 Mục tiêu đối tượng thực nghiệm 3.1.1 Mục tiêu thực nghiệm Đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ ethanol pha vào xăng đến tính kinh tế, kỹ thuật nhiễm động điều kiện vận hành thường xuyên động phun xăng điều khiển điện tử Qua xác định tỷ lệ ethanol pha vào xăng phù hợp với điều kiện vận hành thường xuyên mà không thay đổi kết cấu động cơ, hệ thống nhiên liệu hệ thống điều khiển -8- đến 4250 với tỷ lệ ethanol pha vào xăng với tỷ lệ E10, E15 E20, mơ men có ích động phát tương đương so với E0 Thậm chí mức tải ứng với 30, 50 70%THA phạm vi tốc độ 2250-3250 rpm, mô men có ích động sử dụng E10, E15 E20 cao chút so với E0 - Khi sử dụng E30, mơ men có ích động giảm đáng kể so với E0 tốc độ thấp (1250-2250 rpm) tốc độ cao (3750-4250 rpm) tốc độ trung bình (2250 - 3250 rpm) mức giảm không đáng kể 3% - Khi sử dụng E40 mơ men có ích động gần bất lợi hoàn toàn 25 20 15 10 20-25 15-20 10-15 5-10 0-5 Ethanol (%) so với E0 với mức giảm lên đến >10% Hình 3.8: Giản đồ tỷ lệ ethanol tối ưu cơng suất có ích Căn giản đồ tỷ lệ ethanol tối ưu công suất có ích theo tải tốc độ động (Hình 3.8) khẳng định rằng, để đảm bảo tính kỹ thuật động nên sử dụng xăng-ethanol có tỷ lệ đến E20: Nhiên liệu E20 giúp động phát mô men công suất có ích lớn -11- 50%THA ứng với tốc độ 3250 rpm; Nhiên liệu từ E10 E15 phù hợp với phần lớn chế độ vận hành động có tốc độ từ 1750 rpm trở lên; Nhiên liệu E0-E10 phù hợp với chế độ vận hành có tốc độ 1750 rpm 3.4.2 Tính kinh tế 430 550 10%THA ge (g/kW-h) ge (g/kW-h) 500 450 400 350 300 1250 1750 2250 2750 3250 3750 4250 E0 n (rpm) E10 E15 E30 E40 E20 330 280 1250 1750 2250 2750 3250 3750 4250 E0 E20 430 n (rpm) E10 E15 E30 E40 500 380 450 50%THA 70%THA 400 330 280 230 1250 1750 2250 2750 3250 3750 4250 E0 E20 n (rpm) E10 E15 E30 E40 ge (g/kW-h) ge (g/kW-h) 30%THA 380 350 300 250 1250 1750 2250 2750 3250 3750 4250 E0 E20 n (rpm) E10 E30 E15 E40 Hình 3.9: Đồ thị suất tiêu hao nhiên liệu có ích theo tốc độ động Suất tiêu hao nhiên liệu có ích (Hình 3.9) tăng đáng kể sử dụng hỗn hợp xăng-ethanol so với E0, mức tải thấp tải cao (10 70%THA) Nguyên nhân làm suất tiêu hao nhiên liệu có ích động sử dụng xăng- ethanol phần lớn lượng nhiên liệu cung cấp tăng lên để bù cho phần nhiệt trị giảm có mặt ethanol So với suất tiêu hao nhiên liệu có ích hiệu suất có ích cải thiện động -12- sử dụng xăng-ethanol có xu hướng tốt so với E0 trừ trường hợp làm việc mức tải thấp (10%THA), có tốc độ thấp (1250rpm) có tỷ lệ ethanol cao (E40) Như vậy, để đảm bảo tính kinh tế động mặt tiêu hao nhiên liệu nên sử dụng xăng-ethanol có tỷ lệ E10-E15, mặt tiêu hao lượng sử dụng xăng-ethanol có tỷ lệ lên đến E20-E30 26 10%THA 32 30 e (%) e (%) 24 22 20 28 26 18 24 10 15 20 25 30 35 40 Ethanol (%) 50%THA 35 e (%) e (%) 10 15 20 25 30 35 40 Ethanol (%) 36 34 32 30 28 26 24 30%THA 70%THA 30 25 20 10 15 20 25 30 35 40 Ethanol (%) 10 15 20 25 30 35 40 Ethanol (%) Hình 3.11: Hiệu suất có ích động theo tỷ lệ ethanol ứng với %THA Hỗn hợp xăng-ethanol có nhiệt trị nhỏ so với xăng nên cần xét tới hiệu suất có ích động nhằm đánh giá tính kinh tế xác Hiệu suất có ích (e) thể tỷ lệ nhiệt lượng chứa nhiên liệu chuyển thành cơng có ích, e cao lượng nhiên liệu tiêu hao -13- cho 1kW 1giờ nhỏ, nhờ làm giảm lượng nhiên liệu tiêu hao giờ, nghĩa tính kinh tế cao Kết cho thấy, so với suất tiêu hao nhiên liệu có ích hiệu suất có ích cải thiện động sử dụng hỗn hợp xăng-ethanol có xu hướng tốt so với xăng E0 trừ trường hợp làm việc mức tải thấp (10%THA), có tốc độ thấp (1250rpm) có tỷ lệ ethanol cao (E40) 10%THA 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 CO (%) CO (%) 3.4.3 Tính phát thải nhiễm 30%THA 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 10 15 20 25 30 35 40 50%THA 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 5 10 15 20 25 30 35 40 Ethanol (%) CO (%) CO (%) Ethanol (%) 10 15 20 25 30 35 40 Ethanol (%) 70%THA 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 10 15 20 25 30 35 40 Ethanol (%) Hình 3.12: Diễn biến phát thải CO theo tỷ lệ ethanol Động sử dụng xăng sinh học làm giảm phát thải CO, HC, nhiên lại làm tăng phát thải NOx Mức phát thải CO, HC có xu hướng giảm tăng tỷ lệ ethanol phụ thuộc vào điều kiện vận hành động Trong NOx có xu hướng tăng theo tỷ lệ ethanol phụ thuộc vào tải động (độ mở bướm ga) tốc độ động Nhằm hài hòa mặt phát thải, khơng nên sử dụng nhiên liệu có tỷ lệ ethanol E30 - E40 -14- lúc làm tăng đáng kể phát thải NOx, phát thải CO giảm không đáng kể HC tăng trở lại so với trường hợp sử dụng nhiên liệu E20 Tính kinh tế, kỹ thuật phát thải ô nhiễm động Daewoo A16DMS có diễn biến nhờ q trình cháy cải thiện loại bỏ phần khu vực giàu nhiên liệu cục Sự có mặt nguyên tố oxy phân tử ethanol hệ số nạp cải thiện khiến hòa khí có xu hướng nhạt Ở tỷ lệ ethanol cao E30 hòa khí có xu hướng khơng đồng ethanol không bay kịp thời dẫn tới tăng phát thải HC NOx Tính kinh tế kỹ thuật phát thải ô nhiễm động Daewoo A16DMS sử dụng nhiên liệu hỗn hợp xăng-ethanol phân tích phù hợp với nhiều kết nghiên cứu cơng bố, động sử dụng xăng pha ethanol có tỷ lệ khơng q E25 phát huy đồng thời tính kinh tế, kỹ thuật nhiễm Chương NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG 4.1 Mục tiêu, đối tượng phạm vi mơ Hình 4.1: Mơ hình hình học động đường nạp phía Hình 4.2: Mơ hình hình học động có đường nạp phía Luận án tập trung xây dựng mơ hình hóa động Daewoo A16DMS với cấu hình cung cấp nhiên liệu cho ba trường hợp: Phun đường nạp phía; phun riêng rẽ xăng/ethanol đường nạp phía; -15- phun riêng rẽ ethanol/xăng đường nạp phun trực tiếp 4.2 Xây dựng mơ hình 4.2.1 Xác lập thành phần lưu chất ban đầu Thành phần lưu chất bao gồm khơng khí, khí sót nhiên liệu, tùy theo thời điểm mà thành phần lưu chất tính tốn theo động học piston, xupap vòi phun nhiên liệu 4.2.2 Xác lập q trình phun nhiên liệu Tia phun mơ hình hóa dạng pha rời rạc (Discrete phase) mơ hình phân rã tia phun TAB với thời gian phun xác lập từ góc quay trục khuỷu tốc độ động 4.2.3 Xác lập mơ hình cháy Luận án sử dụng mơ hình phản ứng cháy Laminar finite-rate mơ hình tính NOx theo chế Zeldovich với 06 phản ứng Bugie (spark) đặt tâm phía nắp máy có tọa độ (0,1,0) Bán kính đánh lửa 2mm, thời gian đánh lửa 0,001s lượng đánh lửa 0,1j Tốc độ màng lửa rối tính tốn mơ hình Zimont 4.3 Xác lập điều kiện mô so sánh mô với thực nghiệm Điều kiện mô bao gồm nhiệt độ khí nạp, nhiệt độ thành xilanh, áp suất khí nạp, vận tốc phun, lưu lượng phun, … xác lập từ thông số thực nghiệm 4.3.1 Xác định nhiệt độ thành Hệ thống thực nghiệm trình bày chương cho phép xác định lưu lượng nước làm mát, nhiệt độ nước làm mát trước vào làm mát xilanh khỏi xilanh 4.3.2 So sánh q trình cháy mơ với thực nghiệm Diễn biến áp suất gần tương đồng mô thực nghiệm -16- trình nén giãn nở Điểm sai khác chủ yếu xảy q trình cháy, thấy tốc độ tăng áp suất (tốc độ cháy) thu từ mô cao thực nghiệm, giá trị áp suất cực đại từ mô cao khoảng 5% so với thực nghiệm Ngược lại sau áp suất đạt cực đại, giai đoạn cháy rớt tốc độ giảm áp suất từ mô lại cao thực nghiệm, điều mơ hình mơ gần khơng xét đến cháy rớt, áp suất thực nghiệm giảm chậm chịu ảnh hưởng tượng cháy rớt 4.4 Phân tích kết mơ Ethanol với tính chất khác biệt so với xăng làm thay đổi diễn biến bay tia phun nhiên liệu Do cần rõ ảnh hưởng ethanol điều kiện vận hành động đến diễn biến bay chất lượng hòa khí 4.4.1 So sánh diễn biến bay tia phun ethanol xăng Q trình bay hình thành hòa khí phụ thuộc chủ yếu vào đặc tính nhiệt động nhiên liệu, cấu trúc tia phun tốc độ truyền nhiệt khơng khí xung quanh đến giọt nhiên liệu Xăng với giá trị nhiệt ẩn thấp áp suất bão hòa cao so với ethanol bốc sau phun với tốc độ bay trung bình cao khoảng 1,5 lần so với ethanol Ethanol có nhiệt ẩn bay cao so với xăng khiến nhiệt độ khí nạp trường hợp phun ethanol thấp khoảng 60oK so với trường hợp phun xăng Hiệu ứng làm mát khí nạp góp phần tăng khả chống kích nổ hiệu suất nạp cho động Tuy nhiên, trình bay ethanol khơng diễn hồn tồn trước đánh lửa, giọt ethanol lại tiếp tục bay trình cháy Hoạt động cháy diễn giọt nguyên nhân gây lượng bồ hóng khí thải động -17- Đối với nhiên liệu hỗn hợp, ethanol xăng trộn sẵn với trước phun Có thể thấy tốc độ bay hỗn hợp cao so với phun ethanol thấp so với phun xăng Nhiệt độ hòa khí cuối q trình nén phun hỗn hợp E50 thấp ~40K so với E0 Hình 4.13: So sánh đặc tính bay ethanol xăng: Tốc độ bay hơi, nhiệt độ khí nạp nồng độ PI ethanol (E100) xăng (E0) (a) PI hỗn hợp E50 (b) sử dụng đường nạp phía (n = 4000rpm, Ti=320K); So sánh PI sử dụng đường nạp phía so với DI: xăng (E0) (c) ethanol (E100) (d) (n=2000rpm, Ti=345K) Sự bay nhiên liệu phụ thuộc vào chế truyền nhiệt khơng khí giọt xung quanh Cần lưu ý trường hợp PI, hệ số truyền nhiệt đối lưu khơng khí xung quanh giọt nhiên liệu cao đáng kể so với DI Điều vận tốc tương đối khơng khí giọt nhiên liệu cửa nạp cao so với xillanh, đặc biệt giọt di chuyển qua xupap nạp, dẫn đến tăng cường truyền nhiệt từ khơng khí đến giọt cải thiện tốc độ bay Ở điều kiện phun E0 E100, tốc độ bay trường hợp -18- PI cao đáng kể so với DI Do đó, nồng độ PI trình nạp thường cao so với DI Tuy nhiên, trình nén chênh lệch nồng độ giảm dần, chênh lệch nồng độ giảm xuống khoảng 5% thời điểm đánh lửa Tốc độ bay nhiên liệu tăng nhiệt độ ban đầu môi chất tăng lên Khi nhiệt độ ban đầu 310K xăng tiếp tục bay trình nén, nhiệt độ ban đầu 350K gần xăng bay hoàn toàn q trình nạp giọt tìm thấy buồng cháy cuối trình nén Sự gia tăng nhiệt độ ban đầu từ 310K lên 350K làm tăng nồng độ xăng khoảng 8% kết thúc trình nén Hình 4.14: Ảnh hưởng nhiệt độ ban đầu môi chất đến bay ethanol (a) xăng (b) tốc độ động 2000 rpm Ảnh hưởng nhiệt độ ban đầu đến bay ethanol mạnh so với xăng, cuối trình nén nồng độ ethanol tăng khoảng 20% nhiệt độ ban đầu tăng từ 310-350K mật độ giọt buồng cháy giảm mạnh tăng nhiệt độ ban đầu Cần lưu ý nhiệt ẩn bay ethanol cao so với xăng, điều làm bay hỗn hợp xăng-ethanol khó khăn dẫn đến hòa khí khó đồng phun hỗn hợp xăng-ethanol Vì vậy, tỷ lệ pha trộn ethanol nhiệt độ ban đầu môi chất động nên điều chỉnh phạm -19- vi để hiệu suất cháy cao đạt mà khơng bị cháy kích nổ Tốc độ bay ethanol thấp so với xăng, đặc biệt nhiệt độ thấp ảnh hưởng đáng kể đến hình thành hòa khí phun nhiên liệu ethanol/xăng Hỗn hợp khơng đồng dẫn đến cháy khơng hồn toàn, làm giảm hiệu suất nhiệt động làm tăng khí thải CO, HC bồ hóng Vì lý này, trình phun, bay nhiên liệu hình thành hòa khí nên nghiên cứu điều kiện hoạt động khác để tổ chức trình cháy tối ưu 4.4.2 So sánh phun hỗn hợp phun riêng rẽ đường nạp Trường hợp phun đường nạp phía, giọt nhiên liệu tập trung nửa xilanh bay làm giảm nhiệt độ khí nạp cục Tốc độ bay giảm dần thời gian phun sau giảm nhanh ngừng phun Trong thời gian phun, tốc độ bay phun riêng rẽ cao so với phun nhiên liệu hỗn hợp dẫn đến nồng độ nhiên liệu phun riêng rẽ cao vào cuối trình nạp Mặc dù vậy, vào cuối trình nén, nồng độ nhiên liệu đạt xấp xỉ giá trị phun nhiên liệu hỗn hợp phun riêng rẽ Hơn nữa, phần lớn nhiên liệu bị bay trình nạp nên hòa khí phun riêng rẽ đồng so với phun hỗn hợp Trường hợp phun phía, giọt nhiên liệu nhanh chóng khuếch tán tồn khơng gian xilanh dẫn đến nhiệt độ hòa khí đồng Tốc độ bay trung bình phun riêng rẽ phun hỗn hợp gần thời gian phun Kết là, diễn biến nồng độ nhiên liệu gần giống trình nạp quy luật phun, cuối trình nén, nồng độ nhiên liệu phun riêng rẽ cao chút so với phun hỗn hợp Nồng độ nhiên liệu PI phía cao khoảng 10% so với PI phía Trường hợp PI phía, truyền nhiệt từ khơng khí tới -20- giọt nhiên liệu xảy nửa xilanh phía phun nhiên liệu Trong trường hợp PI phía, giọt nhiên liệu khuếch tán vào không gian rộng xilanh giúp cải thiện truyền nhiệt không khí đến giọt dẫn đến cải thiện tốc độ bay Hình 4.19: So sánh phun riêng rẽ phun hỗn hợp đường nạp:Tốc độ bay nồng độ nhiên liệu E50 ứng với PI phía (a) phía (b) (n=2000rpm, Tkn=320K, i=60oCA); Phân bố giọt nhiên liệu nhiệt độ hòa khí ứng với PI E50 hỗn hợp phía (c) phía (d) góc quay 54oCA Vị trí đầu vòi phun có tác động khơng đáng kể đến nồng độ cuối trình nén cho trường hợp GDI-EPI EDI-GPI, tốc độ bay cao quan sát thấy trường hợp EDI-GPI giai đoạn phun (Hình 4.30) Bên cạnh đó, kết cho thấy hòa khí ứng với trường hợp EPI đồng so với EDI Kết liên -21- quan đến suy giảm chất lượng hỗn hợp phun chuyển từ PI sang chế độ DI Trường hợp EDI không hiệu tính đồng cho hòa khí tạo hòa khí phân tầng với nồng độ ethanol cao xa so với bugi, có hiệu ngăn chặn xuất kích nổ Trường hợp GDI hiệu EDI giảm thiểu kích nổ cho động 4.4.3 So sánh phun trực tiếp phun đường nạp Hình 4.30: Tốc độ bay nồng độ nhiên liệu vị trí vòi Xj=-10mm (a), Xj=0 (b) Xj=10mm (c) DI_Blend DI_Dual (E25, n=2000rpm, i = 30oCA); ảnh hưởng thời điểm phun đến phân bố nồng độ DI hỗn hợp vị trí vòi Xj=0 (d) (E35, n=2000rpm) KẾT LUẬN Ln án hồn thành mục tiêu nghiên cứu tính động đánh lửa cưỡng sử dụng xăng sinh học đề xuất giải pháp kỹ thuât chuyển đổi đông phun xăng đường nạp thành động sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ ethanol cao thay đổi linh hoạt theo điều kiện vận hành Các kết nhận là: -22- Tỷ ethanol pha vào xăng RON92 đảm bảo tính kinh tế, kỹ thuật phát thải ô nhiễm động Daewoo A16DMS sử dụng xăng sinh học tương đương với sử dụng xăng RON92 thông thường Ở chế độ thường xuyên vận hành khoảng tốc độ từ 1250-4250rpm mức tải ứng với góc mở bướm ga 10, 30, 50 70%THA, tỷ lệ ethanol giới hạn ứng với tính động Daewoo A16DMS sau: - Động sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ ethanol không E20 cho công suất tương đương, giảm không 5% so với xăng RON92 - Động sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ ethanol khơng q E15 có suất tiêu hao nhiên liệu có ích tương đương tăng không 5% so với xăng RON92 - Động sử dụng xăng sinh học E20 phát thải CO giảm đến 90% HC giảm đến 50%, mức tăng NOx đến 60% so với xăng RON92 Mơ hình 3D-CFD động Daewoo A16DMS mô phần mềm Ansys-Fluent đáp ứng tốt mục tiêu phân tích q trình phun nhiên liệu, đặc điểm hòa khí diễn biến q trình cháy động phun xăng cho trường hợp phun hỗn hợp xăng-ethanol phun riêng rẽ xăng/ethanol Kết mô từ mơ hình cho phép đánh giá hiệu phương thức phối trộn xăng/ethanol, vị trí thời điểm phun ethanol thông qua qui luật bay hơi, đặc điểm hòa khí diễn biến q trình cháy động Các giải pháp đồng giải tốt mục tiêu hoàn thiện bay ethanol động phun xăng vận hành với xăng sinh học có tỷ lệ ethanol cao, tạo hòa khí phân lớp tỷ lệ ethanol buồng, tăng hiệu suất giảm phát thải NOx Cụ thể là: -23- - Trường hợp phun hỗn hợp xăng-ethanol áp dụng động phun xăng đường nạp phía: Tăng đồng thời lượng nhiên liệu phun nhiệt độ khí nạp tương ứng với tỷ lệ ethanol xăng sinh học nhằm cải thiện công suất, giảm phát thải NOx - Trường hợp phun riêng rẽ ethanol/xăng áp dụng động phun xăng đường nạp phía: Ethanol cần phun sớm so với xăng thay đổi linh hoạt tỷ lệ ethanol cung cấp theo điều kiện vận hành Điều tạo điều kiện bay hoàn toàn cho ethanol - Trường hợp phun riêng rẽ ethanol/xăng áp dụng động phun xăng đường nạp phía: Phun riêng rẽ ethanol nhánh nạp đối xứng với nhánh nạp phun xăng, thay đổi linh hoạt tỷ lệ ethanol cung cấp theo điều kiện vận hành Điều giúp hình thành hòa khí phân lớp tỷ lệ ethanol cao nửa xilanh - Trường hợp phun riêng rẽ ethanol/xăng áp dụng động phun xăng trực tiếp: Phun xăng đường nạp kết hợp với phun ethanol trực tiếp (GPI-EDI), thay đổi linh hoạt tỷ lệ ethanol theo điều kiện vận hành Điều giúp ethanol bay tốt khu vực gần thành xilanh, tạo hòa khí có nồng độ ethanol cao tập trung gần thành xilanh vào cuối trình nén HƯỚNG PHÁT TRIỂN Hệ thống nhiên liệu phun riêng rẽ xăng / ethanol hướng phát triển đầy hứa hẹn động đánh lửa cưỡng sử dụng xăng sinh học Phun riêng rẽ xăng/ethanol đường nạp phía kết hợp phun xăng đường nạp với phun trực tiếp ethanol vào buồng cháy tạo hòa khí có trị số octane cao cách xa vị trí đánh lửa -24- DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC Dương Việt Dung, Nguyễn Quang Trung, “Mô vận động dòng mơi chất q trình nạp động sử dụng dụng nhiên liệu xăng-ethanol” Kỷ yếu Hội nghị khoa học Cơ học Thuỷ khí tồn quốc năm 2014 (ISSN 1859-4182), Tr 112-120, 2015 Huỳnh Tấn Tiến, Nguyễn Quang Trung, “Mơ hình nhiệt động tính nhiệt độ môi chất công tác động đánh lửa cưỡng từ liệu áp suất” Tạp chí KHCN ĐH Đà Nẵng (ISSN 1859-1531), Số 5[90], Tr 93-97, 2015 Dương Việt Dung, Nguyễn Quang Trung, “Mơ q trình cháy động đánh lửa cưỡng sử dụng xăng sinh học” Kỷ yếu Hội nghị khoa học Cơ học Thủy khí tồn quốc năm 2015 (ISSN 1859-4182), Tr 128-138, 2016 Nguyen Quang Trung, Huynh Tan Tien, Phan Minh Duc, “The effect of ethanol, butanol addition on the equivalence air-fuel ratio, engine performance and pollutant emission of an SI engine using gasohol fuels” In 2017 International Conference on System Science and Engineering (ISSN 2325-0925), p 579-583, 2017 Nguyễn Quang Trung, Dương Việt Dũng, “Ảnh hưởng tỷ lệ phối trộn ethanol xăng sinh học đến tính kinh tế kỹ thuật ô nhiễm động đánh lửa cưỡng chế độ tải trung bình” Tạp chí KHCN ĐH Đà Nẵng (ISSN 1859-1531), Số 7(116), Tr 94-97, 2017 Nguyễn Quang Trung, Bùi Văn Ga, Dương Việt Dũng, “Ảnh hưởng tỷ lệ phối trộn ethanol đến thời điểm đánh lửa động đánh lửa cưỡng sử dụng xăng sinh học” Kỷ yếu Hội nghị khoa học Cơ học Thủy khí tồn quốc năm 2017 (ISSN 18594182), Tr 858-867, 2018 Nguyễn Quang Trung, Huỳnh Tấn Tiến, Phan Minh Đức, Dương Việt Dũng, “Đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ Butanol hỗn hợp nhiên liệu xăng-Butanol đến thời gian cháy trễ động DAEWOO A16DMS” Kỷ yếu Hội nghị khoa học Cơ học Thủy khí tồn quốc năm 2017 (ISSN 1859-4182), Tr 824-831, 2018 Bui Van Ga, Tran Van Nam, Nguyen Van Dong, Nguyen Quang Trung, Huynh Tan Tien, “Octane number stratified mixture preparation by gasoline–ethanol dual injection in SI engines” International Journal of Environmental Science and Technology (ISSN 1735-1472), p 1-14, 2018 Bui Van Ga, Tran Van Nam, Nguyen Quang Trung, Huynh Tan Tien, "Evaporation and mixture formation of gasoline–ethanol sprays in spark ignition engines with preblended injection and dual injection: a comparative study" IET Renewable Power Generation (ISSN 1752-1416), Volume 13, Issue 4, p 539 – 548, 2019 -25- ... 40 Ethanol (%) CO (%) CO (%) Ethanol (%) 10 15 20 25 30 35 40 Ethanol (%) 70%THA 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 10 15 20 25 30 35 40 Ethanol (%) Hình 3.12: Diễn biến phát thải CO theo tỷ lệ ethanol. .. nhiên liệu thay ethanol, methanol, khí thiên nhiên, 1.1.3 Tình hình sản xuất nhiên liệu sinh học giới Việt Nam -3- Ethanol thống trị thị trường nhiên liệu sinh học ngày nhờ ethanol có khả sản... 25 30 35 40 Ethanol (%) 50%THA 35 e (%) e (%) 10 15 20 25 30 35 40 Ethanol (%) 36 34 32 30 28 26 24 30%THA 70%THA 30 25 20 10 15 20 25 30 35 40 Ethanol (%) 10 15 20 25 30 35 40 Ethanol (%)