Nghiên cứu sự ảnh hưởng của kim phun đến công suất động cơ diesel

Trong bài viết này tác giả dùng phần mềm AVL – FIRE để nghiên cứu sự ảnh hưởng của kim phun nhiên liệu trong buồng đốt thống nhất, cụ thể là đường kính lỗ tia phun đến: công suất, moment cũng như khí thải trên động cơ Diesel (động cơ Diesel Kia JD – K3500).

Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 57 (04/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 69 NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA KIM PHUN ĐẾN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ DIESEL THE EFFECT OF INJECTOR NOZZLE HOLES ON DIESEL ENGINE PERFORMANCE Đinh Tấn Ngọc, Đỗ Văn Dũng Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, Việt Nam Ngày soạn nhận 22/10/2019, ngày phản biện đánh giá 15/11/2019, ngày chấp nhận đăng 2/3/2020 TĨM TẮT Hiện nay, động Diesel cịn sử dụng nhiều đặc biệt lĩnh vực vận tải hàng hải Tuy nhiên để tối ưu công suất, giảm suất tiêu hao nhiên liệu giảm ô nhiễm cần cải tiến thêm Trong báo tác giả dùng phần mềm AVL – FIRE để nghiên cứu ảnh hưởng kim phun nhiên liệu buồng đốt thống nhất, cụ thể đường kính lỗ tia phun đến: cơng suất, moment khí thải động Diesel (động Diesel Kia JD – K3500) Kết mô cho ta thấy với đường kính d=0,16mm cơng suất moment tốt ngược lại với d=0.2mm cho khí thải tốt Kết nghiên cứu làm sở tìm biện pháp cải tiến kim phun nhiên liệu, nâng cao hiệu suất giảm khí thải động Diesel Từ khố: Đường kính lỗ tia phun; cơng suất; mô phỏng; AVL – FIRE; động Kia JD – K3500 ABSTRACT Nowadays, Diesel engines are so popular, especially in the field of transportation and marine However, in order to increase power, reduce consumption and emission, further improvement is necessary In this research, AVL - FIRE software was used to study the effect of injectors to the combustion chamber, the injection hole diameter related to: power, torque as well as exhaust gas on Diesel engine (Kia JD - K3500 Diesel engine) The results show that with d = 0.16mm, the best power, low fuel consumption but high emissions And d=0.2mm, the lowest emission The results of this research improve fuel injectors and diesel engine performance Keywords: nozzle diameter; power; simulation; AVL - FIRE; Kia JD - K3500 engine GIỚI THIỆU Từ đời đến động Diesel không ngừng cải tiến phát triển để đáp ứng nhu cầu thị trường Tuy nhiên tồn đọng số vấn đề khó khăn việc nâng cao cơng suất động giảm lượng khí thải Động Diesel hoạt động tốc độ cao địi hỏi việc ngun tử hóa nhiên liệu - xảy chủ yếu xâm thực nhiễu loạn vùng lân cận vịi phun phải thích hợp buồng đốt với thời gian cực ngắn Một số thông số quan trọng bao gồm kích thước lỗ tia phun, xâm thực, độ côn chùm tia, vận tốc nhiên liệu, mật độ khơng khí mà nhiên liệu bơm vào ảnh hưởng đến việc tăng cường nguyên tử hóa nhiên liệu [1] Để nghiên cứu ảnh hưởng thời gian phun đến đặc tính q trình cháy khí thải động Diesel, tác giả Nguyễn Văn Tổng Em Nguyễn Lê Duy Khải sử dụng phần mềm mô KIVA-3V thay đổi thời gian phun từ 6° đến 12° góc quay trục khuỷu (CA) giữ nguyên thời điểm phun để đánh giá tác động đến công suất, suất tiêu hao nhiên liệu phát thải bồ hóng NOx khí thải động Diesel RV125-2 Kết công suất động đạt giá trị lớn nhất, đồng thời bồ hóng NOx giảm đáng kể thời gian 70 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 57 (04/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh phun nằm khoảng từ 6° đến 9° CA [2] Bên cạnh đó, tác giả Trần Quang Vinh mơ q trình phun nhiên liệu trình cháy động D1146TIS sử dụng phần mềm CFD AVL-Fire để đánh giá trình cháy bên động [3] Ngoài ra, với nghiên cứu ảnh hưởng kích thước hạt nhiên liệu, nồng độ nhiên liệu tốc độ phun nhiên liệu vào buồng đốt tác giả Rohit Sharma, Rana Ranjit Singh Shailendra Kumar Vishwaka cho kết lỗ tia phun nhiên liệu nhỏ có kích thước giọt nhỏ hơn, chí giảm áp suất phun nguyên tử hóa nhiên liệu tốt hơn, bay nhanh trộn tốt [4] Với nghiên cứu Dr Hiregoudar Yerrennagoudaru, Kullaya Swamy K góc nhiên liệu với hướng phun khác có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất động khí thải [5] Hình Tổng quan trình xảy kim phun nhiên liệu [6] Khi nhiên liệu vào lỗ tia phun, hình thành vùng áp suất thấp Và điều xảy tuần hồn làm giảm diện tích nhiên liệu vào, nơi gọi “vena contracta” (đường kính dịng nhỏ nhất) [6] CƠ SỞ LÝ THUYẾT Q trình hịa trộn hỗn hợp lịng xy lanh q trình rối loạn khơng khí có áp suất cao nhiên liệu có động lớn dạng sương thời gian ngắn từ 1,6 đến 60 𝜇s Q trình cháy thơng số trình cháy phụ thuộc nhiều vào chất lượng thời gian chuẩn bị hỗn hợp nhiên liệu Kim phun nhiên liệu ảnh hưởng lớn hiệu suất khí thải động diesel Một vấn đề khó khăn gặp phải trình phát triển động Diesel hoạt động tốc độ cao phải ngun tử hóa nhiên liệu thích hợp buồng đốt thời gian cực ngắn Một số thơng số quan trọng bao gồm kích thước lỗ tia phun, xâm thực, độ côn chùm tia, vận tốc nhiên liệu, mật độ khơng khí mà nhiên liệu bơm vào ảnh hưởng đến việc tăng cường nguyên tử hóa nhiên liệu Kết thử nghiệm cho thấy lỗ có đường kính đầu nhỏ làm tăng hệ số phun đến phạm vi định gây gia tăng q trình ngun tử hóa nhiên liệu Quá trình phun nhiên liệu ảnh hưởng nhiều đến công suất động cơ, nhiên trình phun khơng thể tránh khỏi tượng xâm thực, làm giảm hiệu suất phun làm xói mịn kim phun [6] Hình Vị trí xảy xâm thực kim phun nhiên liệu [6] Thông lượng khối ṁf động lượng ̇ Mf qua lỗ kim phun xác định thơng qua vận tốc u, mật độ ρ diện tích dịng A: ṁf = ∫A Ṁf = ∫A geo geo u ρ dA (1) u2 ρ dA (2) Một hệ số Ca xác định để liên kết diện tích lỗ tia phun thực tế với diện tích lỗ tia phun tồn phần mà khơng có lớp biên Ca = A A.ρ geo ρ1 (3) Trong A ρ giá trị cho trường hợp thực tế Ageo ρl giá trị lý tưởng khơng có lớp biên Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 57 (04/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 71 thuyết Hệ số phun Cd tính phương trình tượng Ngồi điều kiện lưu lượng dịng chảy, đặc điểm hình học lưu lượng vịi phun, bán kính đầu vào lỗ tia phun tỉ lệ chiều dài với đường kính lỗ vịi phun ảnh hưởng đến hệ số phun Cd Được xác định thông qua tham số đầu vào C1 C2 Bằng cách này, ta ước tính áp suất đầu vào p1 cho dịng chảy rối sau: Hình Hiện tượng xâm thực xảy lỗ tia phun nhiên liệu [6] Khu vực có diện tích nhỏ (tại ‘’vena Contracta’’) đánh dấu c hình theo đinh nghĩa Nurick [6] Hệ số co Cc xác định sau: Cc = Ac Ageo (4) Trong Ac diện tích lỗ tia phun vị trí c hình Ageo diện tích lỗ tia phun lý thuyết Vận tốc thực tế có ích qua lỗ kim phun xác định cách sử dụng thông lượng khối động lượng: Ṁ uef = ṁf (5) f Vận tốc tổn thất lý thuyết tính từ phương trình Bernoulli: 2∆P uth = √ ρ (6) Hệ số vận tốc Cv định nghĩa tỉ số vận tốc có ích lý thuyết: u Cv = u ef th (7) Cường độ xâm thực gọi số xâm thực Điều định nghĩa theo nhiều cách Số xâm thực định nghĩa theo Nurick là: K= P1 −Pvapor P1 −P2 (8) Trong P áp suất, số đầu vào lỗ tia phun đầu lỗ tia phun, Pvapor áp suất nhiên liệu Trong vòi phun, hệ số phun Cd tỉ lệ lưu lượng thực tế với lưu lượng lý p1 = p2 + ρ ∙( Ugeo ) Cd (9) THIẾT LẬP MÔ PHỎNG Việc nghiên cứu ảnh hưởng đường kính lỗ tia phun đến công suất động Diesel Kia - JD K3500 thực phần mềm AVL Fire [7] Đây phần mềm xây dựng tảng mơ hình tốn mơ q trình mà lý thuyết CFD quan tâm giải quyết, đặc biệt lĩnh vực động đốt trình cháy, trình phun nhiên liệu, trình truyền nhiệt, chuyển động phân tử, phản ứng hóa học xảy q trình trao đổi chất, xử lý khí thải (after-treatment),… Đối với tốn cụ thể, Fire có nhiều mơ hình tốn đại với mức độ phức tạp quan điểm tính tốn khác giúp người dùng lựa chọn phương án hợp lý tốn Cơng cụ tính tốn mơ động Diesel (ESE Diesel) AVL Fire có giao diện tương đối đơn giản dễ sử dụng đảm bảo kết tính tốn tin cậy xác [7] 3.1 Tạo lưới thông số mô Bảng Trình bày thơng số động Diesel Kia - JD K3500 [8] Thông số Giá trị Nhiên liệu Diesel Số xy lanh Đường kính x Hành trình piston (mm) Dung tích (cc) 98 x 104 3455 Tỉ số nén 22 Số lượng xú páp 72 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 57 (04/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Ướt Kiểu xy lanh Thời điểm phối khí Góc mở sớm xupap nạp (0) 120 Góc đóng muộn xupap nạp (0) 400 Góc mở sớm xupap thải (0) 500 Góc đóng muộn xupap thải ( ) 120 Kim phun Kiểu kim phun Đa lỗ tia Số lỗ tia x đường kính (mm) x 0,182 Hình Thiết lập thơng số động Hình Sơ đồ tiến hành thực nghiệm Hình Biên dạng thiết kế piston động Kia - JD K3500 sau thiết lập Hình Phần chia lưới mơ kim phun có lỗ tia phun Hình Thơng số hình dạng piston động Kia - JD K3500 Hình Thơng số hình dạng kim phun động Kia - JD K3500 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 57 (04/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Hình 10 Mơ hình lưới piston dộng Kia JD K3500 73 thấp tốc độ thấp, trước vận tốc động đạt 2000 vịng/phút với đường kính nhỏ cơng suất moment thấp Khi qua thời điểm tốc độ 1800 vịng/phút đường kính nhỏ cho công suất moment xoắn cao, vận tốc cao chênh lệch rõ 3.2 Thiết lập tham số mơ hình hóa (Simulation Parameters) Hình 11 Thiết lập chế độ mơ Hình 13 Sự ảnh hưởng đường kính lỗ tia phun đến cơng suất moment động - Tốc độ động từ 4000 (vịng/phút): • Cơng suất giảm D1, D2, D3, D4, D5 : 2,44% ; 2,42% ; 2,63% ; 2,95% Hình 12 Thiết lập mơ đun tính tốn • Moment giảm D1, D2, D3, D4, D5 : 2,36% ; 2,24% ; 2,32% ; 2,58% Sau thiết lập thông số ta tiến hành thực chạy mơ phỏng, thời gian trung bình hồn tất lần mô khoảng máy vi tính trang bị vi xử lý Core i5 - 4500U KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Thực q trình mơ phỏng, tốc độ động thay đổi từ 600 đến 5000 (vòng/phút) tương ứng với đường kính lỗ tia khác D1=0,16mm; D2=0,17mm; D3=0,18mm D4=0,19mm; D5=0,2mm cho tốc độ động Ở hình 12 thể đồ thị công suất – moment động tốc độ theo đường kính lỗ tia phun khác Với đường kính D=0,2mm cơng suất momen Hình 14 Sự ảnh hưởng đường kính lỗ tia phun đến suất tiêu hao nhiên liệu 74 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 57 (04/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Tại vận tốc trước 1800 vòng/phút Suất tiêu hao nhiên liệu cao với đường kính nhỏ, sau 1800 đường kính nhỏ suất tiêu hao Tại tốc độ động 4200 (vịng phút) suất tiêu hao nhiên liệu tăng D1, D2, D3, D4, D5: 2,59% ; 2,52% ; 2,76% ; 3,11% Hình 15 Sự ảnh hưởng đường kính lỗ tia phun đến phát thải NOx Lượng NOx sinh có xu hướng giảm tốc độ động cao (ngoại trừ D=0,2) Và đường kính nhỏ lượng NOx sinh lớn Việc giảm đường kính lỗ tia phun làm gia tăng lượng NOx sinh Nhưng với đường kính lỗ tia phun D5 lúc khơng cịn tượng nhỏ giọt vận tốc 600 vòng/phút Lượng NOx sinh với đường kính lỗ tia phun D5, D4, D3, D2, D1 tăng 5,35% ; 8.19% ; 8.95% ; 12,98% Theo đồ thị, đường kính lỗ tia phun, lượng NOx sinh vận tốc 1200 vòng/phút giảm so với lượng NOx sinh vận tốc 600 vịng/phút Riêng đường kính lỗ tia phun D5 tốc 600 vòng/phút bị nhỏ giọt sinh lượng NOx nhỏ nên so với vận tốc 1200 vịng/phút lượng NOx sinh khơng giảm mà lại tăng lên đến 89,29% Về muội than ta thấy tốc độ trước 3000 vịng / phút (ngồi trừ D= 0,2mm) đường kính nhỏ lượng muội than sinh nhỏ Và ngược lại tốc độ cao, đường kính lỗ tia phun nhỏ muội than sinh lớn Hình 17 Biểu đồ so sánh đặc tính ngồi động vận tốc 1800(vòng/phút) Tại tốc độ động 1800 (vòng/phút), xét mặt công suất, moment suất tiêu hao nhiên liệu đường kính lỗ tia phun khác cho giá trị gần Xét mặt phát thải NOx với đường kính D5 cho phát thải nhỏ so với đường kính cịn lại, đường kính giảm lượng phát thải NOx tăng lên Xét mặt phát thải muội than với đường kính D1 cho phát thải nhỏ so với đường kính cịn lại, đường kính tăng lượng phát thải muội than tăng lên Hình 18 Biểu đồ so sánh đặc tính ngồi động vận tốc 3000(vịng/phút) Hình 16 Sự ảnh hưởng đường kính lỗ tia phun đến phát thải muội than Tại tốc độ động 3000 (vòng/phút), xét mặt công suất, moment suất tiêu hao nhiên liệu đường kính lỗ tia phun khác cho thấy chênh lệch rõ ràng Với đường kính lỗ tia phun nhỏ cơng suất, moment tăng suất tiêu hao Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 57 (04/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh nhiên liệu giảm Xét mặt phát thải NOx với đường kính D5 cho phát thải nhỏ so với đường kính cịn lại Và với đường kính giảm lượng phát thải NOx tăng lên Tương tự phát thải NOx, mặt phát thải muội than với đường kính D5 cho phát thải nhỏ so với đường kính cịn lại Và với đường kính giảm lượng phát thải NOx tăng lên Tại tốc độ động 4200 (vòng/phút), xét mặt công suất, moment suất tiêu hao nhiên liệu đường kính lỗ tia phun khác cho thấy chênh lệch rõ ràng so với tốc độ thấp Với đường kính lỗ tia phun nhỏ cơng suất, moment tăng suất tiêu hao nhiên liệu giảm Xét mặt phát thải NOx với đường kính D5 cho phát thải nhỏ so với đường kính cịn lại Và với đường kính giảm lượng phát thải NOx tăng lên Tương tự phát thải NOx, mặt phát thải muội than với đường kính D5 cho phát thải nhỏ so với đường kính cịn lại Và với đường kính giảm lượng phát thải NOx tăng lên Hình 19 Biểu đồ so sánh đặc tính ngồi động vận tốc 4200(vịng/phút) 75 KẾT LUẬN Nhìn chung, qua kết mơ ta thấy với đường kính nhỏ cho cơng suất moment lớn, tiêu hao nhiên liệu nhỏ Tuy nhiên, đường kính nhỏ cho lượng khí xả NOx muội than lớn Ngược lại, đường kính lỗ tia lớn cho khí xả thấp TÀI LIỆU THAM KHẢO Phạm Đình Thọ, Nghiên cứu trình phun nhiên liệu động Diesel, 2006 Trần Quang Vinh, Mơ q trình phun nhiên liệu trình cháy động D1146TiS sử dụng phần mềm CFD AVL-FIRE, Đại học Bách khoa Hà Nội, 2007 [3] Nguyen Le Duy Khai Nguyen Van Tong Em, A Study on the Effects of Duration of Injection on Emissions and Combustion Characteristics in a Direct Injection Diesel Engine Science Technology Development Journal, 17(4): p 67-76, 2014 [4] Rohit Sharma, Rana Ranjit Singh “Experimental study of the Effect of Fuel Injector nozzle holes on Direct Injection Diesel Engine” [5] Dr Hiregoudar Yerrennagoudaru, Kullaya Swamy K B, “Effect of Nozzle Holes and Turbulent Injection on Diesel Engine Performance” [6] Design of Direct Injection Fuel Injector Nozzle [7] www.avl.com [8] http://www.altra888.com [9] Effect of Fuel injection pressure and Injection timing on fuel pray, engine performance, emission [10] Abdul Rahim Ismail, Effect of injector nozzle holes on diesel engine performance, p 83, 2010 [1] [2] Tác giả chịu trách nhiệm viết: Đinh Tấn Ngọc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Email: ngocdt@hcmute.edu.vn ... kính đầu nhỏ làm tăng hệ số phun đến phạm vi định gây gia tăng q trình ngun tử hóa nhiên liệu Q trình phun nhiên liệu ảnh hưởng nhiều đến cơng suất động cơ, nhiên trình phun khơng thể tránh khỏi... Parameters) Hình 11 Thiết lập chế độ mơ Hình 13 Sự ảnh hưởng đường kính lỗ tia phun đến cơng suất moment động - Tốc độ động từ 4000 (vòng/phút): • Công suất giảm D1, D2, D3, D4, D5 : 2,44% ; 2,42%... lưu lượng lý p1 = p2 + ρ ∙( Ugeo ) Cd (9) THIẾT LẬP MÔ PHỎNG Việc nghiên cứu ảnh hưởng đường kính lỗ tia phun đến công suất động Diesel Kia - JD K3500 thực phần mềm AVL Fire [7] Đây phần mềm xây