Mô phỏng quá trình cháy của động cơ phun xăng trên đường nạp động cơ sử dụng nhiên liệu xăng ethanol

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THƠNG MƠ PHỎNG Q TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG TRÊN ĐƯỜNG NẠP ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU XĂNG - ETHANOL Sinh viên thực hiện: NGUYỄN PHƯỚC TRÍ Đà Nẵng – Năm 2018 TĨM TẮT Tên đề tài: Mơ q trình cháy động phun xăng đường nạp động sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phước Trí Số thẻ SV: 103130088 Lớp: 13C4A Đề tài tập trung việc tìm hiểu thực mơ trình cháy động phun xăng đường nạp động sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol Đề tài xây dựng từ kiến thức chuyên ngành phục vụ việc tính tốn mơ Chương 1: Tổng quan đề tài Giới thiệu động sử dụng hệ thống phun xăng đường nạp nhiên liệu xăngethanol Chương 2: Cơ sở lý thuyết động đánh lửa cưỡng Trình bày chu trình làm việc động đánh lửa cưỡng sở lý thuyết mơ q trình cháy Chương 3: Lập quy trình tính tốn, xây dựng mơ hình 3D buồng cháy điều kiện biên phần mềm ANSYS Fluent Giới thiệu phần mềm ANSYS Fluent động Daewoo Trình bày việc lập quy trình tính tốn để từ xây dựng mơ hình buồng cháy phần mềm Catia xác định điều kiện biên toán Chương 4: Kết mơ q trình cháy động phun xăng đường nạp động sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol Trình bày kết ảnh hưởng tỉ lệ ethanol nhiệt độ khí nạp đến chu trình làm việc động ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THƠNG CỘNG HỊA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Phước Trí Số thẻ sinh viên: 103130088 Lớp: 13C4A Khoa: Cơ Khí Giao Thơng Ngành: Kỹ Thuật Cơ khí Tên đề tài đồ án: Mơ q trình cháy động phun xăng đường nạp động sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol Đề tài thuộc diện : Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ kết thực Các số liệu liệu ban đầu: Theo catalog động Daewoo 1.6L DOHC Theo tài liệu tham khảo Nội dung phần thuyết minh tính tốn: - Tổng quan đề tài Cơ sở lý thuyết động đánh lửa cưỡng Lập quy trình tính tốn, xây dựng mơ hình 3D buồng cháy điều kiện biên mơ trình cháy động Daewoo 1.6L DOHC phần mềm ANSYS Fluent - Kết mô trình cháy động phun xăng đường nạp động sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol Các vẽ, đồ thị: - Mặt cắt dọc động (1/A3) - Mơ hình hình học buồng cháy động (1/A3) - Lưu đồ quy trình tính tốn (1/A3) - Kết mô (5/A3) Họ tên người hướng dẫn: Ths Nguyễn Quang Trung - Ngày giao nhiệm vụ đồ án: Ngày hoàn thành đồ án: 29/1/2017 25/5/2017 Trưởng Bộ Môn: Máy Động Lực Đà Nẵng, ngày 29 tháng 01 năm 2018 Người hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên ) PGS TS Dương Việt Dũng ThS Nguyễn Quang Trung ` LỜI NÓI ĐẦU Động đánh lửa cưỡng ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực sống, có nhược điểm: khả phát thải khí gây nhiễm lớn khan nhiên liệu hóa thạch ảnh hưởng đến giá nhiên liệu Ngày nay, trước yêu cầu thiết nhân loại cụ thể vấn đề tiết kiệm nhiên liệu, hạn chế tối thiểu việc gây ô nhiễm môi trường… Các nhà sản xuất động sử dụng nhiên liệu thay biện pháp phổ biến Nhiện liệu sinh học loại nhiên liệu tái sinh gây nhiễm mơi trường Các loại nhiên liệu sinh học sử dụng rỗng rãi ethanol, biogas, biodiesel… Thì động đánh lửa cưỡng thường dùng hỗn hợp nhiên liệu biogasoline (hỗn hợp ethanol xăng) loại nhiên liệu có nguồn gốc trồng nên có số lợi ích: an tồn lượng, giá nhiên liệu thấp, giảm khí thải CO2, tái sinh nông nghiệp, tạo thêm nhiều việc làm cho nông dân bảo vệ lớp đất bề mặt Nhưng nhược điểm loại nhiên liệu giảm công suất động phát thải lượng khí NOx cao sử dụng nhiều ethanol Chính mơ q trình cháy động phun xăng đường nạp sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol để từ đánh giá yếu tố ảnh hưởng trình cháy mà đề tài thành phần hỗn hợp nhiên liệu nhiệt độ khí nạp Dựa sở để xác định điều kiện vận hành cho động thực nghiệm lựa chọn tỉ lệ ethanol tối ưu để sử dụng thực tế Đề tài “Mô trình cháy động phun xăng đường nạp động sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol” sử dụng phần mềm ANSYS Fluent mơ chu trình làm việc động Đề tài tài liệu sinh viên khí động lực, hướng mở rộng sau cho đề tài nghiên cứu khác Em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tình ThS Nguyễn Quang Trung thầy cô khoa giúp đỡ em hoàn thành đề tài Trong thời gian thực đề tài thời gian có hạn kiến thức cịn hạn chế nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót định Em mong nhận giúp đỡ, ý kiến đóng góp quý thầy cô tất bạn để đề tài hồn thiện i ` CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan đề tài “ Mơ q trình cháy động phun xăng đường nạp động sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol ” thực dựa giúp đỡ giáo viên hướng dẫn thu thập kiến thức từ tài liệu tham khảo Đề tài đảm bảo tính liêm học thuật Sinh viên thực ii ` MỤC LỤC TÓM TẮT NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI NÓI ĐẦU i CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT viii MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu động sử dụng hệ thống phun xăng đường nạp 1.1.1 Lịch sử phát triển hệ thống phun xăng 1.1.2 Ưu nhược điểm hệ thống phun xăng 1.1.3 Một số hệ thống phun xăng tiêu biểu 1.1.3.1 Hệ thống phun xăng điều khiển điện tử (EFI) 1.1.3.2 Phun xăng điều khiển kiểu khí K-Jectronic 1.1.3.3 Hệ thống phun xăng điện tử KE-Jectronic 1.2 Giới thiệu nhiên liệu xăng-ethanol 10 1.2.1 Tính chất nhiên liệu xăng 10 1.2.1.1 Chỉ tiêu chất lượng xăng động đốt cháy cưỡng 10 1.2.1.2 Thành phần hóa học xăng 10 a) Hydrocacbon 10 b) Phụ gia 11 1.2.2 Tính chất nhiên liệu ethanol 11 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC 13 2.1 Chu trình làm việc động đánh lửa cưỡng 13 2.1.1 Quá trình nạp 13 2.1.1.1 Khái niệm chung thông số 13 2.1.1.2 Hệ số nạp 16 2.1.2 Quá trình nén 16 2.1.2.1 Diễn biến thông số của trình nén 16 2.1.2.2 Những yếu tố gây ảnh hưởng đến n1 trung bình: 17 2.1.3 Quá trình cháy động đánh lửa cưỡng 18 2.1.3.1 Diễn biến bình thường trình cháy 18 iii ` 2.1.3.2 Các nhân tố ảnh hưởng tới q trình cháy động đánh lửa cưỡng 20 a) Ảnh hưởng chất lượng hòa khí tới q trình cháy 20 b) Ảnh hưởng tia lửa điện đến trình cháy 21 c) Ảnh hưởng tốc độ đến trình cháy 22 d) Ảnh hưởng tỉ số nén 22 2.1.4 Quá trình giãn nở 23 2.1.5 Quá trình thải 25 2.2 Lý thuyết mơ q trình cháy 25 2.2.1 Chu trình nhiệt động động đốt 25 2.2.2 Cơ sở xác định thơng số hịa khí 27 2.2.2.1 Hệ số tương đương  27 2.2.2.2 Quy luật truyền nhiệt 27 2.2.2.3 Quy luật trao đổi chất 27 2.2.2.4 Nhiệt động học tia phun 28 2.2.2.5 Nhiệt động môi chất 28 2.2.3 Mơ hình tính tốn chu trình nhiệt động đốt 29 2.2.3.1 Sơ đồ thuật tốn tính nhiệt động học động đốt 29 2.2.3.2 Mơ hình 3D-CFD tính tốn q trình cháy động đốt 30 2.2.3.2 Hệ phương trình vi phân sử dụng mơ 3D-CFD 32 2.2.4 Nhiệt động học phản ứng 35 2.2.4.1 Nhiệt động hỗn hợp 35 2.2.4.2 Nhiệt động phản ứng 36 2.2.4.3 Mơ hình cháy hai khu vực lửa rối 37 Chương 3: LẬP QUY TRÌNH TÍNH TỐN, XÂY DỰNG MƠ HÌNH 3D BUỒNG CHÁY VÀ ĐIỀU KIỆN BIÊN MƠ PHỎNG Q TRÌNH CHÁY ĐỘNG CƠ DAEWOO 1.6L DOHC 39 3.1 Giới thiệu phần mềm ANSYS Fluent 39 3.2 Giới thiệu động Daewoo 1.6L DOHC 40 3.2.1 Giới thiệu động 40 3.2.2 Tính lượng nhiên liệu xăng- ethanol cung cấp cho động hệ số tương đương 42 3.2.2.1 Tính lượng nhiên liệu xăng-ethanol cung cấp cho động 42 3.2.2.2 Tính hệ số tương đương ϕ 44 3.3 Lập quy trình tính tốn, xây dựng mơ hình 3D buồng cháy mơ hình lưới, điều kiện biên mơ q trình cháy động Daewoo 1.6L DOHC 45 iv ` 3.3.1 Lập quy trình tính tốn 45 3.3.2 Xây dựng mơ hình 3D buồng cháy mơ hình lưới Ansys 46 3.3.2.1 Xây dựng mơ hình 3D buồng cháy 46 3.3.2.2 Xây dựng mơ hình lưới ANSYS 46 3.3.3 Điều kiện biên 48 Chương 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG TRÊN ĐƯỜNG NẠP ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU XĂNG-ETHANOL 50 4.1 Kết 1: Ảnh hưởng tỉ lệ ethanol đến chu trình làm việc động nhiệt độ khí nạp 315K 50 4.1.1 Ảnh hưởng tỉ lệ ethanol đến trình nạp nén 50 4.1.2 Ảnh hưởng tỉ lệ ethanol đến trình cháy giãn nở 57 4.2 Kết 2: Ảnh hưởng nhiệt độ khí nạp đến chu trình làm việc động E30 63 4.2.1 Ảnh hưởng nhiệt độ khí nạp đến q trình nạp nén 63 4.2.2 Ảnh hưởng nhiệt độ khí nạp đến trình cháy 65 4.3 Kết 3: Đánh giá ảnh hưởng nhiệt độ khí nạp E20 70 KẾT LUẬN 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 PHỤ LỤC v ` DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ Bảng 3.1: Thơng số kỹ thuật động Daewoo 1.6L DOHC 41 Bảng 3.2: Dữ liệu phun ethanol, xăng nhiên liệu theo khối lượng tính từ tỉ lệ thể tích 43 Bảng 3.3: Tỉ lệ đậm, nhạt hỗn hợp nhiên liệu theo ϕ λ 44 Bảng 3.4: Dữ liệu tính tốn động Daewoo 1.6L DOHC 49 Bảng 4.1: Nhiệt độ, áp suất cuối trình nạp (ở 180o) .51 Bảng 4.2: Hệ số dư lượng khơng khí α hệ số tương đương ϕ theo thành phần hỗn hợp nhiên liệu 330 (CA) 52 Bảng 4.3: Phân bố nồng độ nhiên liệu xăng xilanh cuối trình nén 54 Bảng 4.4: Phân bố nồng độ nhiên liệu ethanol xilanh cuối trình nén .56 Bảng 4.5: Nhiệt độ áp suất cực đại trình cháy 58 Bảng 4.6: Diễn biến tốc độ lan truyền màng lửa thay đổi tỉ lệ ethanol 59 Bảng 4.7: Nồng độ NO, CO2 sản sinh trình cháy giãn nở theo tỉ lệ ethanol 63 Bảng 4.8: Nhiệt độ, áp suất cuối trình nạp (ở 180o) .64 Bảng 4.9: Diễn biến hệ số tương đương 330o 65 Bảng 4.10: Nhiệt độ áp suất cực đại trình cháy .66 Bảng 4.11: Diễn biến tốc độ lan truyền màng lửa thay đổi nhiệt độ khí nạp 68 Bảng 4.12: Mối quan hệ nhiệt độ khí nạp đến áp suất cực đại trình cháy .70 Bảng 4.13: Hệ số tương đương 330 độ .70 Bảng 4.14: Áp suất, nhiệt độ cực đại trình cháy 70 Bảng 4.15: Nồng độ NO, CO2 sản sinh trình cháy 70 Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống phun xăng điện tử Bosch Motronic Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo hệ thống phun xăng điện tử nhiều điểm Bosch Motronic Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống phun xăng khí Bosch K-Jectronic .8 Hình 1.4 Sơ đồ cấu tạo hệ thống phun xăng khí nhiều điểm Bosch K-Jectronic .9 Hình 2.1 Phần đồ thị cơng q trình thay đổi khí động bốn kỳ 14 Hình 2.2 Đồ thị p-V phân tích đường cong đặc trưng trạng thái trình nén17 Hình 2.3 Quá trình cháy động xăng cháy cưỡng 19 Hình 2.4 Ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến thay đổi áp suất xilanh 21 vi ` Hình 2.5 Diễn biến thực tế áp suất p số giãn nở n’2 trình giãn nở .24 Hình 2.6 Diễn biến trình thải động bốn kỳ .25 Hình 2.7 Mơ hình hệ nhiệt động học mở động đốt 26 Hình 2.8 Sơ đồ tính chu trình nhiệt động đốt 29 Hình 2.9 Mơ hình bán chiều 30 Hình 2.10 Sơ đồ truyền lửa lửa rối .31 Hình 2.11 Mơ hình lưới 3D-CFD xi-lanh động đánh lửa cưỡng 32 Hình 3.1 Máy bay mơ hình hóa ANSYS Fluent .39 Hình 3.2 Động đốt mơ hình hóa ANSYS Fluent .40 Hình 3.3 Mặt cắt dọc động Daewoo Nubira 1.6L DOHC 42 Hình 3.4 Lưu đồ quy trình tính tốn 46 Hình 3.5 Mơ hình hình học buồng cháy động 46 Hình 3.6 Mơ hình chia lưới buồng cháy ANSYS 47 Hình 3.7 Thơng số chọn chia lưới tự động môi trường ANSYS 48 Hình 4.1 Diễn biến áp suất trình nạp đầu trình nén 50 Hình 4.2 Diễn biến nhiệt độ trình nạp đầu trình nén 51 Hình 4.3 Diễn biến khối lượng riêng trình nạp đầu trình nén 52 Hình 4.4 Diễn biến tốc độ bốc nhiên liệu trình phun .52 Hình 4.5 Hệ số tương đương theo tỉ lệ ethanol 330o 53 Hình 4.6 Diễn biến áp suất trình cháy giãn nở 57 Hình 4.7 Diễn biến nhiệt độ trình cháy giãn nở 58 Hình 4.8 Diễn biến nồng độ ethanol trình cháy giãn nở .61 Hình 4.9 Diễn biến nồng độ xăng trình cháy giãn nở 61 Hình 4.10 Diễn biến nồng độ khí oxy q trình cháy giãn nở .62 Hình 4.11 Diễn biến trình sản sinh khí thải CO2 q trình cháy giãn nở 62 Hình 4.12 Diễn biến q trình sản sinh khí thải NO trình cháy giãn nở .63 Hình 4.13 Diễn biến áp suất trình nạp đầu trình nén 63 Hình 4.14 Diễn biến nhiệt độ trình nạp đầu trình nén .64 Hình 4.15 Diễn biến khối lượng riêng trình nạp 64 Hình 4.16 Tốc độ bốc nhiên liệu trình phun 65 Hình 4.17 Diễn biến áp suất trình cháy giãn nở 66 Hình 4.18 Diễn biến nhiệt độ trình cháy giãn nở 66 Hình 4.19 Diễn biến q trình sản sinh khí thải CO2 q trình cháy giãn nở 69 Hình 4.20 Diễn biến trình sản sinh khí thải NO q trình cháy giãn nở .69 vii nông độ O2 Mô trình cháy động phun xăng đường nạp động sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol 0.2 0.18 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 E0 E10 E20 E30 E40 E50 330 360 390 420 450 480 510 540 ϕ (độ) Hình 4.10 Diễn biến nồng độ khí oxy trình cháy giãn nở Hình 4.8 đến 4.10 thể lượng dư ethanol, xăng oxy cuối q trình cháy giãn nở Có thể thấy ethanol cháy tốt, xăng dư nhiều E0, E10 Điều ethanol có oxy nên tốc độ oxy hóa tốt cháy tốt Và tỉ lệ ethaonol thấp có hệ số tương đương cao (ϕ > 1) ), có nghĩa hỗn hợp nhiên liệu đậm, làm cho nhiên liệu cháy không hết Lượng oxy cịn lại sau q trình cháy giãn nở tương đối Hình 4.11 giới thiệu ảnh hưởng tỉ lệ ethanol đến khí thải CO2 trình cháy Nồng độ CO2 không thay đổi nhiều, mức phát thải tất tỉ lệ ethanol khoảng CO2 (%) 10% 10 E0 E10 E20 E30 E40 E50 330 360 390 420 450 480 510 540 ϕ (độ) Hình 4.11 Diễn biến q trình sản sinh khí thải CO2 trình cháy giãn nở Kết so sánh mức độ phát thải NO theo thành phần hỗn hợp nhiên liệu giới thiệu hình 4.11 Ở tỉ lệ ethanol thấp (E0, E10, E20) lượng NO sản sinh khoảng 40 ÷ 60 ppm Bởi tỉ lệ ethanol nhiệt độ lượng oxy Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phước Trí Hướng dẫn: ThS Nguyễn Quang Trung 62 Mơ q trình cháy động phun xăng đường nạp động sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol trình cháy giãn nở thấp Và mức độ phát thải NO cao khoảng 119 ppm E50 (bảng 4.7) 140 NO (ppm) 120 100 E0 80 E10 E20 60 E30 40 E40 20 E50 330 360 390 420 450 480 510 540 ϕ (độ) Hình 4.12 Diễn biến q trình sản sinh khí thải NO q trình cháy giãn nở Bảng 4.7: Nồng độ NO, CO2 sản sinh trình cháy giãn nở theo tỉ lệ ethanol Tỉ lệ ethanol (% thể tích) NO (ppm) CO2 (%) E0 E10 E20 E30 E40 E50 49 9,83 46 9,81 58 9,77 99 9,82 89 9,87 119 9,83 4.2 Kết 2: Ảnh hưởng nhiệt độ khí nạp đến chu trình làm việc động E30 4.2.1 Ảnh hưởng nhiệt độ khí nạp đến trình nạp nén p (bar) 0.1 0 30 60 90 120 150 180 210 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 Tk1=300K Tk2=315 Tk3=330K ϕ (độ) Hình 4.13 Diễn biến áp suất trình nạp đầu trình nén Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phước Trí Hướng dẫn: ThS Nguyễn Quang Trung 63 Mơ q trình cháy động phun xăng đường nạp động sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol 370 T (K) 350 330 310 290 270 250 30 60 90 Tk1=300K 120 Tk2=315 150 180 210 ϕ (độ) Tk3=330 Hình 4.14 Diễn biến nhiệt độ trình nạp đầu trình nén Diễn biến áp suất, nhiệt độ cục thời điểm khác trình nạp thể chi tiết hình 4.13, 4.14 bảng 4.8 Khi tăng nhiệt độ khí nạp nhiệt độ cuối trình nạp tăng theo Bảng 4.8: Nhiệt độ, áp suất cuối trình nạp (ở 180o) Nhiệt độ khí nạp (K) Tk1 = 300K Tk2 = 315K Tk3 = 330K Ta (K) 326 337 348 pa (bar) -0,05 -0,046 -0,043 1.3 1.25 ρ (kg/m3) 1.2 1.15 1.1 1.05 0.95 0.9 0.85 0.8 30 60 Tk1=300K 90 120 Tk2=315K 150 Tk3=330 180 210 ϕ (độ) Hình 4.15 Diễn biến khối lượng riêng trình nạp Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phước Trí Hướng dẫn: ThS Nguyễn Quang Trung 64 Mơ q trình cháy động phun xăng đường nạp động sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol Hình 4.15 thể ảnh hưởng nhiệt độ khí nạp đến khối lượng khơng khí nạp vào động Có thể thấy tăng Tk làm mật độ khối lượng khơng khí nạp vào động tăng lên làm khối lượng khơng khí nạp vào giảm Kết cho thấy nhiên liệu bốc hết sau kết thúc phun (thời gian phun nhiên liệu từ CA = 15o đến CA= 78o) (hình 4.16) Tốc độ bốc xảy nhanh bắt đầu phun xăng (CA=30o) Với nhiệt độ khí nạp cao tốc độ bay nhiên liệu tốt 4.5 3.5 Er (mg/s) 2.5 1.5 0.5 0 10 20 30 40 Tk1=300K 50 Tk2=315K 60 70 80 90 ϕ (độ) Tk3=330 Hình 4.16 Tốc độ bốc nhiên liệu trình phun Bảng 4.9: Hệ số tương đương 330o Nhiệt độ khí nạp (K) Tk1 = 300K Tk2 = 315K Tk3 = 330K ϕ 0,814 0,954 0,957 Bảng 4.9 giới thiệu kết tính tốn hệ số tương đương thay đổi nhiệt độ khí nạp cuối q trình nén E30 Kết cho thấy tăng Tk ϕ tăng theo Hệ số tương đương ϕ  0,96 Tk3 = 330, Tk1 = 300K, ϕ  0,814 hỗn hợp nhiên liệu nhạt làm cho khoảng cách phân tử nhiên liệu lớn, khiến màng lửa khó lan truyền buồng cháy (bảng 4.11) 4.2.2 Ảnh hưởng nhiệt độ khí nạp đến trình cháy Hình 4.17 4.18 thể áp suất, nhiệt độ trình cháy giãn nở Áp suất pz = 38,2 bar Tk3 = 330K pz = 28,5 bar Tk1 = 300 Điều cho thấy tăng nhiệt độ khí nạp pz cao hệ số tương đương gần 1, tốc độ lan truyền mang lửa lớn (bảng 4.11) Ở đồ thị này, thấy thời kì cháy nhanh Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phước Trí Hướng dẫn: ThS Nguyễn Quang Trung 65 Mơ trình cháy động phun xăng đường nạp động sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol Tk2, Tk3 diễn nhanh nên có áp suất nhiệt độ lớn, Tz = 2178 Tk3, nhiệt độ khí nạp 300K Tz thấp, khoảng 1953K (bảng 4.10) 40 35 p (bar) 30 25 20 15 10 330 360 390 420 Tk1=300K 450 Tk2=315K 480 510 540 ϕ (độ) Tk3=330 Hình 4.17 Diễn biến áp suất trình cháy giãn nở 2300 2100 T (K) 1900 1700 1500 1300 1100 900 700 500 330 360 390 Tk1=300K 420 Tk2=315K 450 480 510 540 ϕ (độ ) Tk3=330K Hình 4.18 Diễn biến nhiệt độ trình cháy giãn nở Bảng 4.10: Nhiệt độ áp suất cực đại trình cháy Nhiệt độ khí nạp (K) Tk1 = 300K Tk2 = 315K Tk3 = 330K Tz (K) 1953 2154 2178 pz (bar) 28.5 35.6 39 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phước Trí Hướng dẫn: ThS Nguyễn Quang Trung 66 Mơ trình cháy động phun xăng đường nạp động sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol Bảng 4.11: Diễn biến tốc độ lan truyền màng lửa thay đổi nhiệt độ khí nạp 357 (CA) Ethanol 367 (CA) Xăng Ethanol 377 (CA) Xăng Ethanol 387 (CA) Xăng Ethanol Tk1 = 300K Tk2 = 315K Tk3 = 330K Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phước Trí Hướng dẫn: ThS Nguyễn Quang Trung 68 Xăng Mơ q trình cháy động phun xăng đường nạp động sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol Bảng 4.11 giới thiệu tốc độ lan truyền màng lửa nhiên liệu Kết cho thấy tăng nhiệt độ khí nạp tốc độ lan truyền màng lửa nhiên liệu tăng nhanh hơn, thời gian cháy rớt giảm Khi Tk2 =315K Tk3=330K nhiên liệu cháy gần hoàn toàn CA=387o CO2 (%) 10 330 360 390 Tk1=300K 420 450 Tk2=315K 480 510 540 ϕ (độ) Tk3=330K Hình 4.19 Diễn biến trình sản sinh khí thải CO2 q trình cháy giãn nở 140 120 NO (ppm) 100 80 60 40 20 330 360 390 Tk1=300K 420 Tk2=315K 450 480 Tk3=330K 510 540 ϕ (độ) Hình 4.20 Diễn biến trình sản sinh khí thải NO q trình cháy giãn nở Hình 4.19 4.20 thể mức phát thải khí CO2 NO thay đổi nhiệt độ khí nạp Lượng CO2 sinh thấp nhiệt độ khí nạp Tk1 = 300k với khoảng 8,6 % Lượng khí thải NO sản sinh thấp Tk2 khoảng 99 ppm Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phước Trí Hướng dẫn: ThS Nguyễn Quang Trung 69 Mơ trình cháy động phun xăng đường nạp động sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol Bảng 4.12: Mối quan hệ nhiệt độ khí nạp đến áp suất cực đại trình cháy STT Nhiệt độ khí Độ chênh lệch nhiệt độ Áp suất max nạp khí nạp (%) (bar) 300 315 315 330 4,76 4,55 Độ chênh lệch 28.5 35, 35.6 39 áp suất (%) 19,16 9,15 Kết tính tốn bảng 4.12 cho thấy tăng trung bình nhiệt độ khí nạp lên 4.7% áp suất cực đại tăng trung bình khoảng 14,2% 4.3 Kết 3: Đánh giá ảnh hưởng nhiệt độ khí nạp E20 Ở phần lấy hệ số tương đương thơng số quan trọng q trình cháy giãn nở (cùng với kết ảnh hưởng nhiệt độ khí nạp E30), để đánh giá tính kỹ thuật môi trường động sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol thay đổi nhiệt độ khí nạp Kết mô từ phần mềm ANSYS Fluent ảnh hưởng nhiệt độ khí nạp từ bảng 4.13 đến 4.15 sau: Bảng 4.13: Hệ số tương đương 330 độ Nhiệt độ khí nạp (K) ϕ Tk1 = 300 0,91 Tk2 = 315 1,00 Tk3 = 330 1,05 Bảng 4.14: Áp suất, nhiệt độ cực đại trình cháy Nhiệt độ khí nạp (K) Tz (K) pz (bar) Tk1 = 300 2107 33,1 Tk2 = 315 2156 34,8 Tk3 = 330 2179 36 Bảng 4.15: Nồng độ NO, CO2 sản sinh trình cháy Nhiệt độ khí nạp (K) NO (ppm) CO2 (%) Tk1 = 300 160 9,44 Tk2 = 315 58 9,77 Tk3 = 330 34 9,87 Từ bảng thấy rằng, tăng nhiệt độ khí nạp áp suất, nhiệt độ cực đại trình cháy tăng theo lượng NO sinh giảm đáng kể (ở Tk3, áp suất cháy cực đại cao 8,1% so với pzmax Tk1 lượng khí tải NO sinh giảm 78%) Như động sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol nên tăng nhiệt độ khí nạp lên Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phước Trí Hướng dẫn: ThS Nguyễn Quang Trung 70 Mô trình cháy động phun xăng đường nạp động sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol KẾT LUẬN Từ kết mô động phun xăng đường nạp, sử dụng nhiên liệu xăngethanol với thay đổi tỉ lệ ethanol nhiệt độ khí nạp, dễ dàng nhận thấy: ❖ Ảnh hưởng tỉ lệ ethanol nhiên liệu: • Ở E0, E10: với tỉ lệ ethanol có nhiệt trị cao, nhiệt hóa thấp nên làm nhiện liệu bay nhanh hơn, hòa trộn tốt với khơng khí tốc độ cháy thấp làm cho trình cháy diễn chậm tỉ lệ có hệ số tương đương ϕ lớn (ϕ  1,1) dẫn đến nhiên liệu cháy không hết (đặc biệt xăng, thiếu oxy) làm giảm công suất động hiệu suất tiêu hao nhiên liệu lớn Tuy nhiên mặt mơi trường tỉ lệ ethanol thấp, động phát thải khí NOx • Ở E20, E30: mà cân nhiệt trị tốc độ cháy hỗn hợp nhiên liệu xilanh động nên công suất tạo lớn hiệu suất tiêu hao nhiên liệu tốt hệ số tương đương ϕ  0,92 ÷ Tuy nhiên E30 có lượng NO sản sinh tương đối nhiều (cao E0, E10 khoảng 52%); E20 vừa đáp ứng yêu cầu kĩ thuật động môi trường (khi áp suất cháy cực đại gần E30, khoảng 35 bar lượng NO sinh cao E0, E10 khoảng 18,1%) • Và tỉ lệ ethanol cao (E40, E50) có tốc độ cháy cao nên nhiên liệu cháy kiệt hơn, có nhiệt trị thấp công suất động thấp Và lượng NOx sinh tương đối lớn (cao E0, E10 khoảng 54,3%) ➢ Như động phun nhiên liêu đường nạp nên sử dụng E20 ÷ E30 ❖ Ảnh hưởng nhiệt độ khí nạp: • Khi thay đổi nhiệt độ khí nạp E30: Tăng nhiệt độ khí nạp làm hỗn hợp nhiên liệu bốc hịa trộn với khơng khí tốt Và Tk thấp mật độ khơng khí giảm, khối lượng khơng khí nạp vào nhiều nên hệ số tương đương thấp (ở Tk1 = 300K có ϕ = 0,813, làm khoảng cách phân tử nhiên liệu lớn) dẫn đến tốc độ lan truyền màng lửa , q trình cháy kéo dài làm giảm cơng suất động (khi tăng Tk từ 300 đến 330K pzmax tăng trung bình 14,2%) Và Tk3, lượng NO sinh giảm 21,2 % so với lượng NO sinh Tk1 Như vậy, sử dung E30 cần phải tăng nhiệt độ khí nạp lên cao (nhưng q cao làm giảm khối lượng khơng khí nạp vào) • Khi thay đổi nhiệt độ khí nạp E20: từ kết mô thay đổi nhiệt độ khí nạp E20 tương tự phân tích E30, xác định sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng-ethanol cần phải tăng nhiệt độ khí nạp lên cao Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phước Trí Hướng dẫn: ThS Nguyễn Quang Trung 71 Mơ q trình cháy động phun xăng đường nạp động sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol ❖ Hướng phát triển đề tài: • Thực mơ hồn tồn chu trình làm việc để từ đánh giá tính kĩ thuật mơi trường động • Mơ q trình cháy động với nhiều loại nhiên liệu thay khác nhiên liệu hydro, biogas, biodiesel… • Mơ với nhiều yếu tố ảnh hưởng đến q trình cháy động góc đánh lửa sớm, thời điểm phun, vị trí đánh lửa, hình dạng buồng cháy… để tìm quy luật diễn biến yếu tố đó, sở để nâng cao tính hiệu kinh tế động Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phước Trí Hướng dẫn: ThS Nguyễn Quang Trung 72 Mơ q trình cháy động phun xăng đường nạp động sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Tất Tiến (2003), Nguyên lý động đốt trong, NXB Giáo dục Dương Việt Dũng, Chuyên đề động phun xăng, Tài liệu lưu hành nội Khoa Cơ khí Giao thơng - Đại học Bách khoa – ĐHĐN Nguyễn Quang Trung, Giáo trình nhiên liệu dầu mỡ, Tài liệu lưu hành nội Khoa Cơ khí Giao thông - Đại học Bách khoa – ĐHĐN Bùi Văn Ga (2002), Quá trình cháy động đốt trong, NXB Khoa học Kỹ thuật Heywood, J.B., Internal combustion engine fundamentals 1988, New York: Mcgraw-hill Chiodi, M., An innovative 3D-CFD-approach towards virtual development of internal combustion engines 2011: Springer Justi, E., Spezifische Wärme Enthalpie, Entropie und Dissoziation technischer Gase 2013: Springer-Verlag Zacharias, F., Analytische Darstellung der thermodynamischen Eigenschaften von Verbrennungsgasen 1966 Bargende, M., Ein Gleichungsansatz zur Berechnung der instationären Wandwärmeverluste im Hochdruckteil von Ottomotoren 1990: na 10 Gordon, S., Computer program for calculation of complex chemical equilibrium compositions, rocket performance, incident and reflected shocks, and ChapmanJouget detonations Nasa sp-273, 1976 11 de Jägher, P., Einfluss der Stoffeigenschaften der Verbrennungsgase auf die Motorprozessrechnung 1984: na 12 Christensen, E., et al., Renewable oxygenate blending effects on gasoline properties Energy & Fuels, 2011 25(10): p 4723-4733 13 Libby, P.A and F.A Williams, Turbulent reacting flows Turbulent reacting flows, 1980 14 Noll, B., Numerische Strömungsmechanik: Grundlagen 2013: Springer-Verlag 15 Anderson, J.D and J Wendt, Computational fluid dynamics Vol 206 1995: Springer 16 Kee, R., F Ruply, and J Miller, The Chemkin Thermodynamic Data Base, Sandia Report SAND87-8215B, Sandia National Laboratories, Livermore, California, 1990 17 Chase, M., NIST—JANAF Thermochemical Tables (Journal of Physical and Chemical Reference Data Monograph No 9) American Institute of Physics, 1998 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phước Trí Hướng dẫn: ThS Nguyễn Quang Trung 73 Mơ q trình cháy động phun xăng đường nạp động sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol 18 Fagundez, J., et al., Comparative analysis of different heat transfer correlations in a two-zone combustion model applied on a SI engine fueled with wet ethanol Applied Thermal Engineering, 2017 115: p 22-32 19 Heywood, J.B., Internal combustion engine fundamentals Vol 930 1988: Mcgraw-hill New York 20 Hires, S., R Tabaczynski, and J Novak, The prediction of ignition delay and combustion intervals for a homogeneous charge, spark ignition engine 1978, SAE Technical Paper 21 Blizard, N.C and J.C Keck, Experimental and theoretical investigation of turbulent burning model for internal combustion engines 1974, SAE Technical Paper 22 Bozza, F., et al., 3D-1D analyses of the turbulent flow field, burning speed and knock occurrence in a turbocharged SI engine 2007, SAE Technical Paper 23 Metghalchi, M and J.C Keck, Burning velocities of mixtures of air with methanol, isooctane, and indolene at high pressure and temperature Combustion and flame, 1982 48: p 191-210 24 Metghalchi, M and J Keck, Laminar burning velocity of propane-air mixtures at high temperature and pressure Combustion and flame, 1980 38: p 143-154 25 Gautam, M., D Martin, and D Carder, Emissions characteristics of higher alcohol/gasoline blends Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, 2000 214(2): p 165-182 26 Broustail, G., et al., Experimental determination of laminar burning velocity for butanol and ethanol iso-octane blends Fuel, 2011 90(1): p 1-6 27 Catalogue engine Daewoo 1.6L DOHC 28 Trần Văn Nam, Dương Việt Dũng (2014), Cung cấp nhiên liệu động đốt trong, NXB Khoa học Kỹ thuật 29 ANSYS Internal Combustion Engines Tutorial Guide Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phước Trí Hướng dẫn: ThS Nguyễn Quang Trung 74 PHỤ LỤC Các bước thực mô Fluent sử dụng cho đề tài: + Nhập thông số động vào Fluent Dynamic Mesh: + Cài đặt thơng số q trình nạp Boundary Condition: Phụ lục + Cài đặt thông số phun nhiên liệu cho hai vòi phun xăng/ethanol Injection công cụ Define: + Cài đặt thông số đánh lửa Spark Ignition chế độ Models: Phụ lục + Sau tiến hành cho phần mềm chạy mơ từ Run Calculation, q trình mơ tự động diễn + Sau q trình mơ kết thúc, công cụ ANSYS CFD-POST cập nhật kết tính tốn từ Fluent Lấy kết từ máy tính theo đường dẫn (file path File Report.) Phụ lục ... KẾT QUẢ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG TRÊN ĐƯỜNG NẠP ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU XĂNG -ETHANOL 50 4.1 Kết 1: Ảnh hưởng tỉ lệ ethanol đến chu trình làm việc động nhiệt độ khí nạp 315K... Trung Mơ q trình cháy động phun xăng đường nạp động sử dụng nhiên liệu xăng- ethanol Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu động sử dụng hệ thống phun xăng đường nạp 1.1.1 Lịch sử phát triển... Trung Mô trình cháy động phun xăng đường nạp động sử dụng nhiên liệu xăng- ethanol - Hiệu khoa học: Việc nghiên cứu sử dụng xăng sinh học có tầm quan trọng lớn khoa học, nguồn nhiên liệu thay xăng