Bài viết này trình bày một nghiên cứu về ảnh hưởng của vị trí đặt vòi phun và áp suất phun đến động năng của dòng khí nạp ở động cơ diesel một xylanh chuyển đổi thành động cơ nghiên cứu CNG.
BÀI BÁO KHOA HỌC ẢNH HƯỞNG CỦA VỊ TRÍ VỊI PHUN VÀ ÁP SUẤT PHUN ĐẾN ĐỘNG NĂNG TRONG ĐƯỜNG NẠP CỦA ĐỘNG CƠ CNG ĐƯỢC CHUYỂN ĐỔI TỪ ĐỘNG CƠ DIESEL MỘT XYLANH Hồ Hữu Chấn1,2, Nguyễn Đức Hiệp1, Nguyễn Ngọc Hải1, Cao Hùng Phi2, Trần Đăng Quốc1 Tóm tắt: Bài báo trình bày nghiên cứu ảnh hưởng vị trí đặt vịi phun áp suất phun đến động dịng khí nạp động diesel xylanh chuyển đổi thành động nghiên cứu CNG Phương pháp nghiên cứu thực báo kết hợp nghiên cứu thực nghiệm kết hợp với mô Kết thu từ thực nghiệm sử dụng để hiệu chuẩn mơ hình mơ AVL Boost Để làm rõ ảnh hưởng vị trí đặt vịi phun đường ống nạp, thông số thu từ AVL Boost sử dụng làm thông số đầu vào để xây dựng nghiên cứu mô Ansys fluent Các kết thực nghiệm nguyên nhân làm hệ số COVimep tăng tăng áp suất phun động học khuếch tán nhiên liệu CNG đường nạp thay đổi bất thường Thay đổi khoảng cách đặt vịi phun góc hợp đường tâm vòi phun với đường tâm ống nạp làm giảm bất thường động khuếch tán Từ khố: Vị trí vịi phun, Áp suất phun, Động khuếch tán, Động CNG GIỚI THIỆU * Hướng đến mục tiêu cắt giảm phụ thuộc vào nhiên liệu gốc dầu mỏ khí thải, việc chuyển đổi động đốt sử dụng nhiên liệu thay phương tiện vận tải cần thiết Việt Nam Khí thiên nhiên với thành phần chủ yếu khí Mê-tan (CH4) tổng hợp từ nhiều nguồn khác (Nguyễn Cảnh Dương, 2004) Khi nén với áp suất khoảng 250 bar, khí thiên nhiên trở thành nhiên liệu CNG thay hiệu cho xăng diesel tỷ số nguyên tử Hy-đrô với Các bon 4, đốt cháy kG nhiên liệu CNG điều kiện hòa trộn hỗn hợp lý tưởng (Stoichiometric, = 1) giảm khoảng 12% CO2 so với nhiên liệu xăng (P.R Dave, 2007) Các thành phần khí thải khác CO NOx giảm 80% 12%, nhiên hiệu suất nhiệt động tăng 5% giảm suất tiêu hao nhiên liệu đến 15% (Maji, 2005) Chuyển đổi từ động diesel thành động CNG giải pháp phù hợp với điều kiện Việt Nam nay, động CNG chuyển đổi tối ưu hóa để đạt hiệu suất nhiệt tính kinh tế nhiên liệu vùng tốc độ thấp trung Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Vĩnh Long 24 bình, phù hợp với xe buýt xe tải hoạt động thành phố (New York, 1993) Một nhược điểm mà động đốt sử dụng nhiên liệu CNG gặp phải thể tích riêng lớn khối lượng nhẹ so với khơng khí Do hệ số nạp giảm so với động xăng phun đường nạp tốc độ lan truyền màng lửa thấp (Muhammad Imran Khan, 2015), công suất động giảm từ 5% đến 10% (Jones AL, 1985) Để nâng cao công suất động CNG chuyển đổi trước tiên cần phải xem xét chất lượng hịa trộn nhiên liệu khơng khí đường ống nạp (Geok HH, 2009) Bởi trình diễn động CNG phức tạp, dịng khí từ q trình nạp q trình thải có đặc trưng dịng chảy rối Dịng chảy rối đặc trưng tính bất thường, tính khuếch tán, tính quay trịn tính tiêu tán Để xem xét chất lượng hịa trộn nhiên liệu với khơng khí đường ống nạp ta coi dịng khơng khí nạp trước vịi phun ổn định có vận tốc đầu vào cố định Tại vị trí đặt vịi phun nhiên liệu CNG, dịng nhiên liệu có vận tốc áp suất khác so với khơng khí Vận tốc động khuếch tán nhiên liệu CNG thông số quan trọng để xem xét chất lượng hòa trộn hỗn hợp trước vào xylanh động Hai thơng số điển hình xem xét nghiên cứu vận KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC tốc nhiên liệu đường nạp động khuếch tán (TKE) Bởi thời gian hòa trộn động CNG xylanh phun gián tiếp lúc nhiên liệu phun vào bên đường ống nạp q trình cháy kết thúc hồn tồn Chất lượng hỗn hợp khoảng thời gian từ lúc phun nhiên liệu vào đường nạp đến trước cửa nạp quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến hệ số nạp đồng hỗn hợp Để tăng hệ số nạp giảm bất thường hỗn hợp, tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng vị trí đặt vòi phun áp suất phun nhiên liệu đường nạp cần thiết Cho đến kết nghiên cứu khoảng cách từ vòi phun CNG đến xúp-páp nạp, góc hợp đường tâm vòi phun CNG với đường tâm đường nạp, áp suất phun nhiên liệu CNG chưa rõ ràng tiếp cận Phương pháp thực để hướng đến kết kết hợp nghiên cứu thực nghiệm nghiên cứu mô CÔNG CỤ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nghiên cứu thực nghiệm 2.1.1 Sơ đồ thí nghiệm Hình Động thiết bị thí nghiệm Hình Sơ đồ bố trí thiết bị thí nghiệm Hình thể sơ đồ bố trí trang thiết bị thí nghiệm tổng thể, thiết bị sử dụng thí nghiệm gồm: Động nghiên cứu xylanh kiểu Ricardo thiết kế lại từ động diesel với thơng số trình bày bảng Hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG gồm: thùng chứa nhiên liệu CNG áp suất 150 bar, hai van giảm áp, thiết bị đo tiêu thụ nhiên liệu CNG (Mass Flow Controller: MFC) vòi phun CNG lắp đường ống nạp, Dynamometer để đo mô men động cơ, thêm vào hệ thống nạp/thải, hệ thống làm mát, điều khiển động cơ, thu thập liệu vài hệ thống đo khác Bảng Thông số kỹ thuật động nghiên cứu Tên thơng số Đường kính xylanh Hành trình piston Dung tích xylanh Tỷ số nén Ký hiệu D S Vtp ε 2.1.2 Phương pháp thí nghiệm Tốc độ động giữ cố định giá trị n = 1800 vòng/phút, khoảng cách từ mặt bên nắp máy đến vòi phun CNG đặt đường nạp gọi vị trí vịi phun Vị trí vịi phun thay đổi từ h(mm) = 60, 100, 140, 200, áp suất phun thay đổi giá trị p = bar, 2.5 bar bar, góc đánh lửa thay đổi để tìm giá trị mơ men lớn Giá trị 103 115 1,03 10 Thứ nguyên mm mm Lít - (MBT) vị trí vịi phun áp suất phun 2.2 Nghiên cứumơ AVL Boost 2.2.1 Sơ đồ mơ Hình trình bày Động QTC2015 mô phần mềm AVL Boost, phần tử động mô có thơng số kỹ thuật tương đương động thực Động nghiên cứu mô sau: SB1 SB2 nơi thiết lập điều KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 25 kiện biên đầu vào đầu mơ hình, CL1: Thiết lập thơng số lọc khơng khí, I1: Thơng số phun nhiên liệu, C1: Thông số xylanh động cơ, Hình Mơ động QTC2015 2.2.2 Điều khiển mô Để hướng đến kết cải thiện đặc tính làm việc động Diesel chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu CNG, điều kiện nghiên cứu tiến hành sau: - Bướm ga mở hoàn toàn để hạn chế cản đường ống nạp nhỏ - Để đánh giá ảnh hưởng vị trí đặt vịi phun (h) đến đặc tính làm việc động cơ, lượng nhiên liệu cấp cho động giữ không đổi - Tốc độ động mô cố định n = 1800 vịng/phút 2.3 Nghiên cứu mơ Ansys Fluent 2.3.1 Mơ đường ống nạp Hình thể đường ống nạp động mô Ansys fluent sau chia lưới Các thơng số nhập cho mơ hình lấy từ kết chạy mơ AVL Boost trước thông số kỹ thuật tương đương động nghiên cứu thực Các phương trình Navier-Stoke dịng liên tục động lượng, động rối tỉ lệ tiêu tán mơ hình K-ε tiêu chuẩn, mơ hình liên kết rối lựa chọn thiết lập cho phần tử mơ hình 2.3.2 Điều khiển mơ Để xem xét ảnh hưởng vị trí đặt vòi phun áp suất phun đến chất lượng hòa trộn hỗn hợp, điều kiện nghiên cứu tiến hành sau: - Khoảng cách từ tâm vòi phun đến cửa nạp nắp máy dịch chuyển từ 30 đến 300 mm bướm gió mở hoàn toàn để hạn chế cản 26 MP1, MP2, MP3, MP4, MP5, MP6 MP7 vị trí đặt cảm biến, R1, R2 R3: hệ số tổn thất đường ống, PL1: Bộ ổn định áp suất thải Hình Mơ hình sau chia lưới đường ống nạp nhỏ Giá trị l = coi gốc tọa độ tuyệt đối ban đầu đặt vòi phun để so sánh, l < có nghĩa vịi phun di chuyển xa so với gốc tọa độ ban đầu ngược lại so với chiều dòng khí nạp - Để đánh giá ảnh hưởng vị trí đặt vịi phun (h) đến khả hịa trộn hỗn hợp đường nạp, góc nghiêng hợp đường tâm vòi phun đường tâm ống nạp điều chỉnh góc 30o, 45o 90o - Để làm rõ ảnh hưởng áp suất phun nhiên liệu đến khả hòa trộn hỗn hợp, áp suất phun điều chỉnh từ bar, 2,5 bar bar KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Ảnh hưởng áp suất phun vị trí vịi phun đến đặc tính làm việc động COVimep hệ số đánh giá thay đổi áp suất có ích trung bình khoảng 120 chu kỳ làm việc động (Coefficient of Variation of indicated mean effective pressure), thông thường COVimep nhỏ 5% động coi làm việc ổn định mà không xảy tượng cháy bất thường [8] Hình trình bày kết thí nghiệm động thực điều kiện ε = 10, cố định vị trí đặt vịi phun so với cửa nạp h = 140 mm, tốc độ động giữ ngun n = 1800 vịng/phút mơ men khơng thay đổi Theo chiều tăng áp suất phun,hệ số COVimep có xu hướng tăng, giá trị COVimep ≈ 5% áp suất phun pf = bar ổn định Sự bất ổn định động tốc độ n = KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 1800 vòng/phút xuất áp suất phun tăng từ bar đến 1,5 bar bar, kết thể hình cho thấy COVimep áp suất 1,5 bar bar 11,5% 15,4% Kết cho thấy sai số áp suất lớn bên xylanh 100 lần sinh cơng lớn, lý Hình Ảnh hưởng áp suất phun đến hệ số COVimep Hình trình bày kết thu từ nghiên cứu mô phần mềm AVL Boost điều kiện tốc độ động giữ cố định giá trị n = 1800 vịng/phút, góc đánh lửa cố định 14 độ trước điểm chết trên, bướm ga mở hoàn toàn lượng nhiên liệu khơng đổi Khi thay đổi vị trí đặt vòi phun nhiên liệu đường nạp từ 10 mm đến 280 mm, mô men công suất động có xu hướng thay đổi giống Trong khoảng từ 10 mm đến 80 mm, công suất mô men tăng vị trí đặt vịi phun dịch xa so với cửa nạp Khi khoảng cách vòi phun cửa nạp lớn 80 mm, mô men q trình thử nghiệm khó để kiểm sốt tốc độ động 1800 vòng/phút Để xác định nguyên nhân gây nên bất ổn định trình động làm việc, nghiên cứu thực cách thay đổi vị trí đặt vịi phun Hình Ảnh hưởng vị trí đặt vịi phun đến mơ men cơng suất cơng suất có xu hướng giảm giá trị suy giảm không đáng kể Từ kết thu thấy ảnh hưởng vị trí đặt vịi phun đến mơ men cơng suất khác Nguyên nhân làm cho đặc tính làm việc động thay đổi chất lượng hòa trộn hỗn hợp đường ống nạp, để làm rõ nguyên nhân nghiên cứu thực đường ống nạp trước vào xylanh động với trợ giúp phần mềm Ansys fluent 3.2 Ảnh hưởng vị trí đặt vòi phun đến chuyển động nhiên liệu đường nạp 500 Nhiên liệu: CNG Tốc độ độ ng cơ: n = 1800vg/ph Tỉ số nén: ε = 10 Áp suất: p = ,5 bar Góc đặt vòi phun: α = 45 độ 800 Động khuếch tán, TKE (m2/s 2) Vận tốc nhiên liệu sau phun, v (m/s) 100 600 80mm 100mm 130mm 160mm 400 200 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0.05 0.1 Chiều dài đường ống nạp, l(m) Hình Ảnh hưởng vị trí đặt vịi phun đến vận tốc nhiên liệu phun Trong đường ống nạp tồn hai dịng khí có áp suất động khác nhau, dịng khơng khí nạp có áp suất Nhiên liệu: CNG Tốc độ động cơ: n = 1800vg/ph Tỉ số nén: ε = 10 Áp suất: p = 2,5 bar Góc đặt vòi phun: α = 45 độ 800 100 80mm 100mm 130mm 160mm 400 700 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0.05 0.1 Chiều dài đường ống nạp, l(m) Hình Ảnh hưởng vị trí đặt vịi phun đến động khuếch tán (TKE) nhỏ áp suất môi trường (p < bar) từ bên ngồi vào ống, dịng nhiên liệu khí thiên nhiên khỏi KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 27 vịi phun có áp suất lớn áp suất bên đường ống (p = 2,5 bar) Vận tốc nhiên liệu phun khỏi vòi phun thông số quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến hệ số nạp chất lượng hòa trộn hỗn hợp trước vào buồng cháy Kết thể hình cho thấy vận tốc nhiên liệu vị trí đặt vịi phun có xu hướng thay đổi giống áp suất phun góc đặt vịi phun giống nhau, nhiên vị trí h = 80 mm nhiên liệu có vận tốc lớn so với vị trí cịn lại Từ kết dự đốn khả hịa trộn nhiên liệu khơng khí tốt nhất, để làm rõ vấn đề cần phải xem xét đến động rối nhiên liệu điều kiện nghiên cứu Hình thể động khuếch tán nhiên liệu thay đổi theo chiều dài đường ống nạp, từ kết thể hình vẽ thấy động khếch tán nhiên liệu bên đường ống nạp khác phụ thuộc vào khoảng cách từ cửa nạp đến vòi phun Động lớn tìm thấy vị trí h = 100 mm, di chuyển vòi phun xa cửa nạp động khếch tán nhiên liệu có xu hướng giảm.Các kết hình vẽ cho thấy tính bất thường dịng nhiên liệu vị trí vịi phun lớn 80 mm lớn, nguyên nhân tạo vùng xốy rối cục có động khác làm giảm hệ số nạp Trong trường hợp h = 80 mm, tính đột biến động khuếch tán nhỏ ổn định chuyển động dòng hỗn hợp ổn định hơn, hệ số nạp cải thiện làm tăng giá trị mô men cơng suất 3.3 Ảnh hưởng góc đặt vịi phun đến chuyển động nhiên liệu đường nạp Hình cho thấy ảnh hưởng góc đặt vịi phun đến vận tốc nhiên liệu đường nạp khác nhau, thông số như: áp suất phun nhiên liệu, tỷ số nén, tốc độ động khoảng cách từ cửa nạp đến tâm vịi phun khơng thay đổi nên gốc tọa độ trùng ba trường hợp = 30o, 45o 90o Quan sát ba đường thấy vận tốc nhiên liệu đường ống nạp trường hợp = 45o ổn định nhất, theo chiều dòng hỗn hợp vào xylanh động cơ, vận tốc nhiên liệu sau khỏi vịi phun có xu hướng giảm Kết cho thấy dịng mơi chất trường hợp chuyển động ổn định so với hai trường hợp lại chuyển động xốy rối cục bên gradient dịng chảy khơng khác nhiều Để hiểu rõ tính ổn định dòng chảy = 45o, cần phải xem xét thay đổi động khuếch tán đường nạp Hình 10 thể biến đổi động khuếch tán nhiên liệu bên đường nạp ba trường hợp: góc nghiêng đường tâm vòi phun đường tâm ống nạp = 30o, 45o 90o Động khuếch tán = 30o 90o thay đổi phức tạp, thay đổi lớn hai trường hợp làm xuất xoáy rối bất thường bên đường ống nạp nguyên nhân làm giảm hệ số nạp Đặc biệt trường hợp = 90o, động thay đổi lớn nguyên nhân làm cho động CNG chuyển đổi làm việc không ổn định khó điều chỉnh để tốc độ động n = 1800 vịng phút q trình nghiên cứu thực nghiệm 3000 Động khuếch tán, TKE (m2/s2 ) Vận tốc nhiên liệu sau phun, v(m/s) 600 Nhiên liệu: CNG Tốc độ động cơ: n = 180 0vg/ph Tỉ số nén: ε = 10 Vị trí đặt vịi phun: h = 80 mm Áp suất phun: p = 1bar 480 360 240 độ độ độ 120 -0.10 -0.05 0.00 0.05 0.10 Chiều dài đường ống nạp, l(m) Hình Ảnh hưởng góc phun đến vận tốc nhiên liệu KẾT LUẬN Phân tích kết thu từ thực nghiệm 28 Nhiên liệu: CN G Tốc độ độ ng cơ: n = 800vg/ph Tỉ s ố nén: ε = 10 Vị trí đặt vịi phun: h = 80mm Áp suất phun: p = 1ba r 2400 1800 1200 30 độ 45 độ 90 độ 600 -0.10 -0.05 0.00 0.05 0.10 Chiều dài đường ống nạp, l(m) Hình 10 Ảnh hưởng góc phun đến động khuếch tán (TKE) mơ ảnh hưởng vị trí vịi phun áp suất phun đến chuyển động nhiên liệu KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC đường nạp động CNG xylanh chuyển đổi, kết luận rút sau: + Ảnh hưởng thông số áp suất phun đến hệ số ổn định COVimep động CNG chuyển đổi lớn, nguyên nhân động học dịng khí nạp động chuyển đổi khơng ổn định + Vị trí đặt vịi phun ảnh hưởng nhiều đến công suất mô men động cơ, nguyên nhân làm cho mô men công suất thay đổi động khuếch tán nhiên liệu đường ống nạp thay đổi bất thường + Động khuếch tán nhiên liệu tốt tìm thấy khoảng cách từ vòi phun đến cửa nạp h = 80 mm góc nghiêng vịi phun = 45o TÀI LIỆU THAM KHẢO TS Nguyễn Cảnh Dương, (Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2004), “Địa chất mỏ than, dầu khí đốt” P.R Dave, R Meyer,(Climate Change 2007): “Mitigation Contribution of Working Group III to the Fourth Assessment Report of the Intergovern-mental Panel on Climate Change” Cambridge University Press, Cambridge (2007) Maji, S., Sharma, P B., & Babu, M K G (2005) “Experimental Investigations on Performance and Emission Characteristics of CNG in a Spark Ignition Engine SAE Technical Paper Series” doi:10.4271/2005-26-344 Economic and social commission for asia and the pacific “Guidelines for conversion of diesel buses to compressed natural gas”, ST/ESCAP/1361, United nations, New York, 1993 Muhammad Imran Khan, TabassumYasmin, Abdul Shakoor, “Technical overview of compressed natural gas (CNG) as a transportation fuel”, Renewable and Sustainable Energy Reviews 51 (2015), pp 785-797 Jones AL, Evans RL, “Comparison of burning rates in a natural gas-fueled spark ignition engine” J Eng Gas Turbines Power 1985, pp: 903–13 Geok HH, Mohamad TI, Abdullah S, Ali Y, Shamsudeen A, Adril E “Experi-mental investigation of performance and emission of a sequential port injection natural gas engine” Eur J Sci Res 2009;30(2), pp: 204–214 John B Heywood “Internal Combustion Engine Fundamentals”, ISBN 0-07-100499-8 Abstract: THE EFFECT OF INJECTOR POSITION AND INJECTED PRESSURE ON KINETIC ENERGY IN THE INTAKE MANIFOLD OF CONVERTED CNG ENGINE SINGLE CYLINDER This paper presented a study on impact of injector position and injected pressure on kinetic energy intake flow of the single-cylinder diesel engine that converted to research engine with using CNG fuel The method has realized in this study that is the combination between experimental and simulative researchs The obtained results of experiment were used as the input data to correcting the simulation model on AVL Boost software To make more clearly the effect of injector position on the kinetic energy of gas flow into the intake pipe, the achieved data of AVL Boost simulation used to simulate and research on Ansys fluent software The experimental results were indicated that the cause of increasing COVimep when enhancing injected pressure was due to the turbulence kinetic energy of CNG fuel into the intake pipe was abnomaly changed The variation of injector position and injector angle will be decreased the unwontedness of turbulence kinetic energy Keywords: Injector position, Injected pressure, Turbulence kinetic energy, Converted CNG engine Ngày nhận bài: 07/6/2019 Ngày chấp nhận đăng: 22/8/2019 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 29 ... đặt vịi phun áp suất phun nhiên liệu đường nạp cần thiết Cho đến kết nghiên cứu khoảng cách từ vịi phun CNG đến xúp-páp nạp, góc hợp đường tâm vòi phun CNG với đường tâm đường nạp, áp suất phun. .. sau: + Ảnh hưởng thông số áp suất phun đến hệ số ổn định COVimep động CNG chuyển đổi lớn, nguyên nhân động học dịng khí nạp động chuyển đổi khơng ổn định + Vị trí đặt vịi phun ảnh hưởng nhiều đến. .. khơng đổi Khi thay đổi vị trí đặt vịi phun nhiên liệu đường nạp từ 10 mm đến 280 mm, mô men cơng suất động có xu hướng thay đổi giống Trong khoảng từ 10 mm đến 80 mm, cơng suất mơ men tăng vị trí