Trong các thập kỷ gần đây, các phép mô phỏng được áp dụng chủ yếu khi tiến hành nghiên cứu, thiết kế những tính năng mới cho động cơ đốt trong nói chung và động cơ diesel nói riêng, sử dụng các nhiên liệu thay thế, đặc biệt là giảm phát thải độc hại ra môi trường xung quanh. Nhằm phục vụ công tác nghiên cứu sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dầu thực vật - dầu diesel cho các động cơ diesel tàu thủy, bài báo đưa ra các kết quả mô phỏng trên máy tính bằng phần mềm GT-Power, làm cơ sở đánh giá và điều chỉnh trước khi tiến hành thử nghiệm với động cơ HANSHIN 6LU32 thực tế.
THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Nghiên cứu mơ q trình cháy hỗn hợp nhiên liệu dầu thực vật - dầu diesel động diesel tàu thuỷ HANSHIN 6LU32 Simulation study on the combustion process of marine diesel engine HANSHIN 6LU32 fueled by the blends of pure plant oil and diesel oil Phạm Xuân Dương, Trần Thế Nam Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, phxduong@vimaru.edu.vn Tóm tắt Xét phương diện khoa học kỹ thuật, mơ q trình cháy động q trình mơ tả, biểu diễn tượng vật lý diễn q trình cháy cơng thức toán học sở thiết chế giả định tương ứng Trong thập kỷ gần đây, phép mô áp dụng chủ yếu tiến hành nghiên cứu, thiết kế tính cho động đốt nói chung động diesel nói riêng, sử dụng nhiên liệu thay thế, đặc biệt giảm phát thải độc hại môi trường xung quanh Nhằm phục vụ công tác nghiên cứu sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dầu thực vật - dầu diesel cho động diesel tàu thủy, báo đưa kết mơ máy tính phần mềm GT-Power, làm sở đánh giá điều chỉnh trước tiến hành thử nghiệm với động HANSHIN 6LU32 thực tế Từ khóa: Mơ phỏng, q trình cháy, dầu thực vật, động diesel tàu thủy Abstract From a scientific and technological point of view, the simulation of engine combustion means description of physical phenomena occurred in cylinder is formularised upon the initial hypothesis In the last decade, the simulation has been significantly applying for studying on generally developing new performance of internal combustion engines, especially diesel engines, as well as alternative fuels in order to reduce the harmful emissions for environment Supporting a research project on using the mixtures of pure plant oil and diesel oil for marine diesel engines, the paper shows results of simulation software GT-Power for HANSHIN 6LU32 that help researchers assess and modify the experimental model before real test Keywords: Simulation, combustion process, pure plant oil (PPO), marine diesel engine Đặt vấn đề Sử dụng nhiên liệu thay thế, đặc biệt nhiên liệu sinh học chiết suất từ thực vật mỡ động vật nhằm giải vấn đề an ninh lượng giảm ô nhiễm môi trường nhiều nhà khoa học quan tâm Trong lĩnh vực hàng hải, diesel sinh học dầu thực vật nguyên gốc tập trung nghiên cứu áp dụng cho động diesel tàu thủy tương đồng thông số đặc trưng với diesel dầu mỏ Tuy nhiên, để triển khai thử nghiệm động thực tế, q trình mơ máy tính với phần mềm chuyên dụng cần thiết, nhằm mục đích hỗ trợ dự báo khả xảy ra, điều chỉnh lại yếu tố thử nghiệm rút ngắn trình nghiên cứu Mơ q trình cháy động làm việc với nhiên liệu khác nhau, hỗn hợp dầu cọ - dầu diesel theo tỷ lệ định trước, thức chất biểu diễn tượng vật lý diễn trình cháy cơng thức tốn học sở thiết lập điều kiện ban đầu tùy theo mục đích nghiên cứu Bằng phương pháp này, mơ giúp hiểu chất các trình vật lý diễn ra, yếu tố ảnh hưởng đến trình cháy động cơ, đánh giá khả sử dụng hỗn hợp dầu cọ - dầu diesel làm nhiên liệu thay sở đáp ứng yêu cầu kỹ thuật động HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 111 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Các mơ hình nghiên cứu mơ q trình cháy động diesel Mơ q trình cháy động nói chung có nhiều loại với nhiều giả thiết tương ứng cho trường hợp Tổng hợp lại, mơ hình mơ q trình cháy động phân loại theo nhóm sau: - Mơ hình khơng thứ ngun (Zero dimensional); - Mơ hình đơn ngun (Quasi-dimensional); - Mơ hình đa nguyên (Multi-dimensional) Theo cách phân loại này, mức độ chi tiết sát với tượng vật lý diễn thực trình cháy động ngày tăng lên với phức tạp tạo dựng mơ hình sử dụng chúng để đánh giá 2.1 Mơ hình khơng thứ ngun (Zero dimensional model) Mơ hình khơng thứ ngun hiểu theo ý nghĩa mơ hình khơng có tham gia dòng lưu động (dòng khí nhiên liệu phun vào xy lanh, dòng khí rò lọt qua xéc măng hay lưu động qua van xả, ) Mơ hình khơng thứ ngun mơ hình đơn giản thích hợp tiếp cận đánh giá trình cháy động Nó cho phép quan sát ảnh hưởng thông số khai thác động đến mức độ tỏa nhiệt, diễn biến thay đổi áp suất xy lanh Về bản, mơ hình không thứ nguyên xây dựng áp dụng mơ q trình cháy động đốt theo hướng nghiên cứu chính: - Xác định biến thiên áp suất xy lanh theo góc quay trục khuỷu dựa mức độ tỏa nhiệt thay đổi thơng số khối lượng khí cháy; Tính toán mức độ tỏa nhiệt khối lượng hỗn hợp khí cháy theo phương trình Vibe Tính tốn áp suất xy lanh sở xác định mức độ tỏa nhiệt Tính tốn thơng số cơng tác động - Xác định mức độ tỏa nhiệt biến thiên khối lượng khí cháy theo góc quay trục khuỷu dựa thông số đo thực nghiệm áp suất khí cháy xy lanh Đo đạc thực nghiệm liệu áp suất cháy xy lanh thực tế Tính tốn mức độ tỏa nhiệt sở áp suất xy lanh đo Tính tốn thông số công tác động Tuỳ thuộc vào mức độ nghiên cứu, dẫn đến giả thiết đầu vào khác hệ nhiệt động xy lanh động với tương tác khối lượng lượng nội vùng, phận bao quanh, mơ hình khơng thứ ngun phân thành loại nhỏ sau: - Mơ hình đơn vùng (single zone model); - Mơ hình hai vùng (two zone model); - Mơ hình đa vùng (multi zone model) 2.2 Mơ hình đơn ngun mơ hình đa ngun (Quasi - dimensional model and Multi dimensional model) Mơ hình đơn ngun hay hiểu theo nghĩa mơ hình gần khơng có thứ ngun xác định mức độ tỏa nhiệt bên xy lanh có tham gia tượng biến đổi hóa học mơi chất cơng tác q trình phun nhiên liệu Mơ hình đa ngun HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 112 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 mơ hình xét đến tất yếu tố ảnh hưởng đến trình cháy xy lanh động cơ, bao gồm biến đổi vật lý hóa học sở kết hợp phân tích động học cơng chất lưu động qua van vòi phun, đó, khối lượng cơng thức tính tốn tương tác thành phần trở nên phức tạp, đòi hỏi hỗ trợ phần mềm chuyên dụng Cơ sở lý thuyết xây dựng mơ đơn vùng Có thể thấy được, mơ hình đơn vùng mơ hình đơn giản mơ q trình cháy hiệu theo góc quay trục khuỷu (tức thời gian) Theo đó, biểu thức toán học quy hàm số theo thời gian, nên dễ dàng cho trình lập trình tính tốn, nghiên cứu máy tính Với mục đích đánh giá khả ứng dụng hỗn hợp nhiên liệu dầu thực vật - dầu diesel cho động diesel tàu thuỷ thơng qua khảo sát q trình cháy nhiên liệu buồng đốt động cơ, mà thông số đặc trưng tốc độ tỏa nhiệt, áp suất cháy, nhiệt độ cháy, (không xét đến ảnh hưởng q trình vận động dòng khí nạp, khí cháy hay dòng nhiên liệu phun vào xy lanh), nên tác giả lựa chọn mơ hình đơn vùng (single zone model) để mơ q trình cháy động diesel phù hợp Cơ sở lý thuyết xây dựng mơ đơn vùng Định luật I nhiệt động học: “Năng lượng hệ thống kín lý tưởng không đổi” Nếu coi động diesel hệ thống khép kín xét trường hợp thay đổi nhỏ góc quay trục khuỷu, phương trình bảo tồn lượng theo Định luật I nhiệt động học viết dạng [1], [2], [3]: dU Q W (1) Trong đó: Q - nhiệt tỏa đốt cháy nhiên liệu [kJ/oCA]; W PdV - công sinh ra; U mCv dT - tốc độ thay đổi nội Áp dụng phương trình cho khí lý tưởng biến đổi, thu phương trình vi phân đầy đủ phụ thuộc vào góc quay trục khuỷu động cơ: Hay: dQ dP k dV V P d k d k d dP k dQ P dV k d V d V d (2) (3) Công thức (3) dạng tổng quát để xác định tỏa nhiệt đốt cháy nhiên liệu động thay đổi áp suất cháy động thiết lập sở định luật nhiệt động học I 3.1 Sự thay đổi áp suất cháy xy lanh dP k df hA P dV Qin (Tg Tw ) k d V d 180 V d (4) Trong đó: Qin - nhiệt lượng đơn vị cấp cho động cơ, [kJ/kg]: Qin m f f q HV p IVCVIVC xr f q HV ( A / F ) s RTIVC (5) dV/dθ - Thay đổi thể tích buồng cháy theo góc quay trục khuỷu: dV Vd sin cos ( R sin ) 1/ d (6) 3.2 Tốc độ tỏa nhiệt đốt cháy nhiên liệu xy lanh Lượng nhiệt toả đốt cháy nhiên liệu xy lanh tính sở tổng lượng nhiệt khí cháy sinh trừ phần nhiệt mát truyền nhiệt qua thành vách xy lanh số yếu tố khác (lượng nhiệt tổn thất): HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 113 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 dQgross d dQnet dQloss d d (7) Lượng nhiệt tổn thất xác định sau: dQloss K A ac Reb (Tg Tw ) cr (Tg4 Tw4 ) d B (8) Lượng nhiệt cấp cho động tính theo công thức: dQnet C dV dP PV dm dV P V P d r d d m d d (9) 3.3 Sự thay đổi nhiệt độ xy lanh dT df hA(Tg Tw ) RT dV Qin d mCv d mCv CvV d (10) 3.4 Tốc độ hình thành khí NOx Thành phần NO chiếm tỷ lệ lớn nhóm khí thải NOx động với tốc độ hình thành xác định theo mơ hình Zeldovich sau [1]: K P (O ) d [ NO] 2k1 f [O2 ]1/ [ N ] (11) 1/ dt ( RT ) d [ NO] 6.1016 69,09 1/ 1/ exp (12) [O2 ] [ N ] dt T T Mơ q trình cháy phần mềm GT-Power 4.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu động diesel thủy lai chân vịt, loại động 6LU32 hãng HANSHIN (Nhật Bản) sử dụng nhiên liệu hỗn hợp dầu cọ - dầu diesel có tính chất mơ tả bảng Động 6LU32 động diesel thiết kế chế tạo để lắp đặt tàu thủy lai chân vịt (hay gọi động chính) Hiện động lắp đặt Trung tâm Nghiên cứu Động Diesel thủy - Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Động 6LU32 có thông số kĩ thuật nêu bảng Bảng Các thông số động HANSHIN 6LU32 [4] Thông số STT Giá trị Đơn vị Đường kính xy lanh (D) 320 [mm] Hành trình pít tơng (S) 510 [mm] Cơng suất định mức (Nđm) 970 [kW] Số vòng quay ứng với công suất định mức 340 [v/ph] Suất tiêu hao nhiên liệu định mức 200 [g/kW.h] Tốc độ trung bình piston 5.78 [m/s] Áp suất cháy lớn 90 [bar] Tỷ số nén 13 Chiều dài biên 918 [mm] 10 Góc mở sớm xu páp nạp - 1 500 [độ GQTK] 11 Góc đóng muộn xu páp nạp - 2 35 [độ GQTK] 12 Góc mở sớm xu páp xả - 4 550 [độ GQTK] HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 114 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 STT 13 Góc đóng muộn xu páp xả - 5 14 Góc phun sớm nhiên liệu - s 15 Thứ tự làm việc Chỉ tiêu phân tích Khối lượng riêng 150C, [kg/m3] Độ nhớt động học 400C, [cSt] Trị số Xê tan [độ GQTK] [độ GQTK] 11 1-4-2-6-3-5 Bảng Số liệu tính chất nhiên liệu [4] Dầu thực vật (Dầu cọ) PO100 PO5 PO10 PO15 PO20 PO25 PO30 DO 922,5 848,9 853,8 856,8 859,9 863,2 866,8 850 40,24 3,0 3,42 4,2 5,31 5,87 6,45 2,6 52,92 49,63 50,13 50,66 50,91 51,25 52,11 42,89 72 73 74 75 76 77 72 -3 -1 2 -6 0,0057 0,0057 0,0057 0,0058 0,0058 0,0058 0,0054 1A 1A 1A 1A 1A 1A 1A 182 189 195 201 208 215 170 0,36 0,37 0,37 0,38 0,38 0,4 0,35 40,01 39,72 39,63 39,55 39,16 38,69 43,4 Nhiệt độ chớp cháy 135 cốc kín, [0C] Nhiệt độ đơng đặc, 16 [ C] Hàm lượng tro, [% 0,0061 khối lượng] Ăn mòn mảnh đồng 1A 500C Hàm lượng nước, 315 [mg/kg] Trị số axit, 0,4 [mgKOH/g] Nhiệt trị thấp, 10 37,11 [MJ/kg] 500 4.2 Phần mềm mô GT-Power Phần mềm GT-Power công cụ mô động chuyên nghiệp, áp dụng cho loại động đốt kỳ, sử dụng cho phương tiện vận tải đường bộ, tàu thuyền, trạm phát điện, xe thể thao, Phần mềm cung cấp cho người sử dụng nhiều phần tử để mơ hình hố phận động có khả liên kết (link) với phần mềm khác để mơ hiệu quả, xác phần mềm CFD Star-CD, Fluent, Simulink, MS-Excel, Các ứng dụng GT-Power: - Xây dựng đặc tính mơ men tiêu thụ nhiên liệu động cơ; - Thiết kế hiệu chỉnh đường ống; - Tối ưu hoá trị số thời gian - thiết diện; - Tính tốn mơ cháy khí thải; - Tăng áp liên kết tuabin - máy nén; - Thiết kế hệ thống tuần hồn khí thải; - Tính tốn âm (độ ồn nạp, thải); - Tính tốn chu trình nhiệt xy lanh; - Mơ theo biến thời gian thực động Mơ hình động HANSHIN 6LU32 xây dựng phần mềm GT-Power Version 7.3 hãng Gama Technology trình bày hình Các thành phần mơ hình giới thiệu bảng Nội dung thông số cần nhập vào cho phần tử rõ Help Navigator phần tử Trong HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 115 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 phạm vi báo, tác giả trình bày cửa sổ giao diện để nhập cho bốn phần tử bao gồm: xy lanh, vòi phun, cấu phối khí thơng số chung động hình Hình Mơ hình động HANSHIN 6LU32 phần mềm GT-Power Hình Cửa số giao diện nhập phần tử phần mềm GT-Power HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 116 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 TT Bảng Các phần tử mơ hình phần mềm GT-Power Phần tử S.lg Mô tả Các thông số đầu vào Điều kiện biên môi Inlet-Env 12 Áp suất, nhiệt độ mơi trường vào, trường, dòng vào ExhaustĐiều kiện biên môi 12 Áp suất, nhiệt độ môi trường ra, Env trường, dòng Đường kính vào, ra, chiều dài ống, chiều dài rời rạc hóa (để tính tốn), nhám bề intport 12 Mô tả đoạn ống nạp mặt, nhiệt độ thành, yếu tố truyền nhiệt exhport 12 Mơ tả đoạn ống xả Như Đường kính tán nấm xu páp, khe hở nhiệt, intvalve 12 Mô tả xu páp nạp biên dạng cam, hệ số lưu lượng, exhvalve 12 Mô tả xu páp thải Như Lượng nhiên liệu cấp cho chu trình, góc phun sớm nhiên liệu, quy luật phun, áp Di-Inject 06 Mơ tả vòi phun suất phun, nhiệt độ nhiên liệu, đường kính lỗ phun, số lỗ phun, hệ số lưu lượng qua lỗ phun, Các thơng số kích thức hình học, mơ hình Cylinder 06 Mơ tả phần tử xy lanh cháy, mơ hình truyền nhiệt, Số xy lanh, bố trí, chế độ tính tốn động Mơ tả phần lại cơ, tổn hao giới, mơ men quán tính Engine 01 động trục khuỷu, chu kỳ tính, thứ tự làm việc xy lanh, Kết mơ q trình cháy Mơ q trình cháy thực ứng với chế độ tải khác nhau: định mức (100% tải), 75% tải 50% tải theo dầu diesel (DO) tỷ lệ nhiên liệu hỗn hợp dầu cọ dầu diesel khác (PO10, PO20, PO30 PO100) Kết tính tốn áp suất mơi chất cơng tác, nhiệt độ mơi chất cơng tác, tốc độ tỏa nhiệt khí cháy hình thành NOx động thu hình 3, HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 117 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Hình Các thơng số q trình cháy chế độ 100% tải Hình Các thơng số q trình cháy chế độ 75% tải Hình Các thơng số trình cháy chế độ 50% tải - Từ kết mơ phỏng, rút nhận xét: Quá trình cháy xy lanh động sử dụng nhiên liệu hỗn hợp diễn tương tự trình cháy động sử dụng dầu diesel Tuy nhiên có mặt dầu cọ hỗn hợp PO10, PO20, PO30 làm cho thơng số q trình cháy áp suất cháy cực đại, nhiệt độ trình cháy tỏa nhiệt thấp rõ rệt so với DO; HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 118 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Tải động thấp, khác biệt thơng số q trình cháy dầu diesel nhiên liệu hỗn hợp giảm Ở chế độ cấp nhiên liệu 100%, giảm áp suất cháy cực đại dầu diesel PO100 5,94%, chế độ cấp nhiên liệu 75% 5,03% chế độ tải 50% 3,43%; - Sự khác biệt rõ nét loại nhiên liệu khác nồng độ khí NO x hình thành xy lanh động cơ, giảm 20% chế độ tải Khi sử dụng hỗn hợp dầu cọ với tỷ lệ cao, nồng độ NOx giảm Kết luận Với việc sử dụng phần mềm GT-Power mơ q trình cháy động diesel 6LU32 chế độ tải khác nhau, khẳng định trình cháy động hỗn hợp nhiên liệu dầu thực vật (dầu cọ) - dầu diesel (DO) hoàn toàn phù hợp với định luật nhiệt động diesel, khơng gây hỗn loạn làm ảnh hưởng đến trình cơng tác động Mặc dù kết mô cho thấy tiêu môi trường đạt hiệu rõ rệt, nhiên cần lưu ý đến việc thử nghiệm thực tế hỗn hợp nhiên liệu có tỷ lệ dầu thực vật 20% đặc tính cơng tác thấp xa rời đường đặc tính cơng tác động dùng dầu DO Q trình mơ đánh giá lý thuyết phần mềm GTPower sở quan trọng cho việc thực nghiệm thực tế động Tài liệu tham khảo [1] John B Heywood Internal Combustion Engine Fundamentals McGraw-Hill Book 1988 [2] P.A Lakshminarayanan, Yogesh V.Aghav Modelling Diesel Combustion Springer 2009 [3] V.Mikita, J.Roots, J.Olt Simulation model of the combustion processes of a diesel engine Agronomy Research Biosystem Engineering Special Issue 1, 157-166 2012 [4] PGS TSKH Đặng Văn Uy nhóm nghiên cứu Đề tài Khoa học cấp Bộ “Nghiên cứu giải pháp công nghệ chế tạo thử nghiệm hệ thống thiết bị chuyển đổi động diesel tàu thủy cỡ vừa nhỏ sang sử dụng hỗn hợp dầu thực vật - dầu diesel” Mã số ĐT.04.11/NLSH 2014 - HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 119 ... GT-Power mô trình cháy động diesel 6LU32 chế độ tải khác nhau, khẳng định trình cháy động hỗn hợp nhiên liệu dầu thực vật (dầu cọ) - dầu diesel (DO) hoàn toàn phù hợp với định luật nhiệt động diesel, ... q trình lập trình tính tốn, nghiên cứu máy tính Với mục đích đánh giá khả ứng dụng hỗn hợp nhiên liệu dầu thực vật - dầu diesel cho động diesel tàu thuỷ thơng qua khảo sát q trình cháy nhiên liệu. .. q trình cháy phần mềm GT-Power 4.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu động diesel thủy lai chân vịt, loại động 6LU32 hãng HANSHIN (Nhật Bản) sử dụng nhiên liệu hỗn hợp dầu cọ - dầu diesel