Nghiên cứu cải thiện đặc tính phát thải động cơ vikyno rv 125 2 sử dụng phương pháp mô phỏng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -o0o - PHAN THẾ ANH NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN ĐẶC TÍNH PHÁT THẢI ĐỘNG CƠ VIKYNO RV125-2 SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG Chun ngành: Kỹ thuật Ơtơ – Máy kéo Mã số: 605235 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2014 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP.HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS Huỳnh Thanh Công Cán chấm nhận xét 1: TS Nguyễn Lê Duy Khải Cán chấm nhận xét 2: TS Nguyễn Ngọc Dũng Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG TP Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ bao gồm: PGS TS Phạm Xuân Mai TS Phạm Tuấn Anh TS Nguyễn Lê Duy Khải TS Nguyễn Ngọc Dũng PGS TS Đặng Thành Trung Xác nhận Chủ tịch Hội dồng đánh giá luận văn Trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA PGS TS PHẠM XUÂN MAI TS NGUYỄN LÊ DUY KHẢI ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Phan Thế Anh MSHV: 10131080 Ngày tháng năm sinh: 23/03/1987 Nơi sinh: Tp Hồ Chí Minh Chun ngành: Kỹ Thuật Ơtơ – Máy kéo Mã số: 605235 I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN ĐẶC TÍNH PHÁT THẢI ĐỘNG CƠ VIKYNO RV125-2 SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu tổng quan lý thuyết hình thành khí thải động diesel 01 xy-lanh ảnh hưởng thơng số buồng cháy đến đặc tính động Nghiên cứu đề xuất phương án cải tiến buồng cháy xây dựng mơ hình mơ AVL FIRE theo định hướng giảm khí thải dựa điều kiện vận hành khác động Vikyno RV125-2 Dựa kết đạt được, đánh giá ảnh hưởng hình dạng hình học buồng cháy tính tương thích với đặc tính hình học vịi phun đến đặc tính cơng suất khí thải động Từ đó, đề xuất ý kiến cải tiến buồng cháy động III NGÀY GIAO NHIÊM VỤ: 24/06/2013 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIÊM VỤ: 20/06/2014 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS HUỲNH THANH CÔNG TP HCM, ngày …… tháng …… năm 20…… CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TS HUỲNH THANH CÔNG TS TRẦN HỮU NHÂN TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG TS NGUYỄN LÊ DUY KHẢI LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS Huỳnh Thanh Cơng – người hướng dẫn tận tình chu đáo mặt chun mơn để tơi hồn thành luận văn Tơi cảm ơn q Thầy Cơ Bộ mơn Ơ tơ – Máy động lực – Khoa Kỹ thuật giao thông tạo điều kiện để tơi hồn thành tốt cơng việc Đồng thời tơi gửi lời cảm ơn đến Thầy bạn đồng nghiệp Phịng thí nghiệm Trọng điểm ĐHQG-HCM Động Cơ Đốt Trong tạo điều kiện thời gian, sở vật chất suốt q trình tơi làm luận văn Cuối cùng, tơi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè tôi, người động viên chia với tơi nhiều q trình học tập làm luận văn Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Phan Thế Anh TĨM TẮT Luận văn nghiên cứu đặc tính cơng suất khí thải động động diesel 01 xylanh, phun nhiên liệu trực tiếp cách thay đổi dạng hình học buồng cháy động Đây loại động sản xuất Việt Nam sử dụng lĩnh vực nông nghiệp Trong nghiên cứu này, động mơ hình hóa mơ phần mềm tính tốn số CFD (Computational Fuid Dynamics) 3D AVL FIRE v.2013; có 06 dạng buồng cháy đề xuất – bao gồm buồng cháy hữu động – để khảo sát ảnh hưởng đến đặc tính cơng suất khí thải động Các thơng số đặc tính tiêu biểu: cơng suất, moment, tiêu hao nhiên liệu, lượng phái tải NOx, Soot CO lựa chọn để làm tiêu chuẩn đánh giá Kết nghiên cứu cho thấy buồng cháy dạng 4, kết hợp với thời điểm phun 16 góc quay trục khuỷu trước điểm chết trên, góc lỗ phun đối diện 145, đường kính lỗ phun 0,21 mm mang đến đặc tính tốt cơng suất khí thải cho động nghiên cứu vận hành tốc độ 2400 1800 v/ph chế độ toàn tải ABSTRACT This thesis presents a simulation study on performance and emission characteristics of a small direct injection diesel engine, using the changing of combustion chamber geometry The engine in the thesis, made in Vietnam, is widely used for agricultural purpose In this study, the engine was modeled by commercial advanced simulation CFD tools, code AVL FIRE v.2013 The present study focus on the effect of six different cases of combustion chamber geometry - including baseline case - on engine performance and emission characteristics An optimal bowl was the outcome of the simulation while engine performance, NOx, Soot and CO were used as measurable quantities to evaluate the improvement The obtained result indicated that the proper combustion chamber is found to be the 4th case of piston - combine with injection timming 16CA BTDC, injector cone angle between oposite injection holes 145, dimameter 0.21 mm of injection holes - is suitable for the engine while running at speeds of 1800 rpm and 2400 rpm at full-load conditions LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết luận văn thực chưa công bố tác giả khác TP Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng năm 2014 Phan Thế Anh MỤC LỤC Chương TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Đối tượng mục tiêu nghiên cứu .6 1.2.1 Đối tượng nghiên cứu .6 1.2.2 Mục tiêu nghiên cứu .7 1.3 Phương pháp nghiên cứu 1.4 Nội dung nghiên cứu 1.5 Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn đề tài .9 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10 2.1 Cơ sở lý thuyết ảnh hưởng hình dạng buồng đốt đến hình thành khí thải động 10 2.1.1 Ảnh hưởng hình dạng hình học buồng cháy đến đặc trưng dịng khí bên động 12 2.1.2 Các thông số hình học buồng cháy động 13 2.1.3 Tối ưu buồng cháy động phương pháp mô 16 2.1.4 Tối ưu buồng cháy động phương pháp thực nghiệm 21 2.2 Giới thiệu trình hình thành khí thải động diesel 25 2.2.1 Carbon Monoxide (CO) 26 2.2.2 Hydrocarbon chưa cháy (HC) .29 2.2.3 Oxide Nitơ (NOx) 30 2.2.4 Bồ hóng (PM) .32 2.3 Giới thiệu phần mềm AVL FIRE .34 2.3.1 Khái quát phần mềm AVL FIRE .34 2.3.2 Mơ hình cháy 35 Mục lục Trang i 2.3.3 Mơ hình hình thành NOx buồng cháy 37 2.3.4 Mơ hình q trình oxy hóa hình thành muội than 48 Chương XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ MƠ PHỎNG Q TRÌNH CHÁY ĐỘNG CƠ VIKYNO RV125-2 BẰNG PHẦN MỀM AVL FIRE 53 3.1 Mơ hình hóa mơ hoạt động động Vikyno RV125-2 với buồng cháy hữu 53 3.1.1 Pre- processing 53 3.1.2 Processing .57 3.1.3 Post-processing .58 3.2 Đề xuất số giải pháp buồng cháy cải tiến cho động mô so sánh kiểm chứng với buồng cháy hữu 59 3.2.1 Phương án piston số (piston hữu) 62 3.2.2 Phương án piston số 62 3.2.3 Phương án piston số 62 3.2.4 Phương án piston số 62 3.2.5 Phương án piston số 63 3.2.6 Phương án piston số 63 3.3 Kiểm tra phù hợp mơ hình mô kết thực nghiệm động RV125-2 64 3.3.1 Đo thực nghiệm đặc tính cơng suất khí thải động 64 3.3.2 Định chuẩn (Validation) mơ hình mơ 67 Chương KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 71 4.1 Ảnh hưởng kết cấu buồng cháy đến thông số hình thành hỗn hợp 71 4.2 Ảnh hưởng kết cấu buồng cháy đến đặc tính cơng suất phát thải động RV125-2 77 4.3 Đánh giá tính tương thích thơng số vịi phun đến đặc tính cơng suất khí thải động sử dụng buồng cháy cải tiến .89 Mục lục Trang ii Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO 97 PHỤ LỤC 99 Mục lục Trang iii MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Kết đo khí thải động tương ứng với góc phun dầu sớm 14 200 BTDC so với tiêu chuẩn khí thải US TIER [5] Hình 1.2 Các hướng nghiên cứu tối ưu hoạt động động Hình 1.3 Động Vikyno RV125-2 Hình 1.4 Đồ thị đặc tính ngồi động Vikyno RV125-2 Hình 2.1 Hình dạng đỉnh piston hữu động Vikyno RV125-2 .11 Hình 2.2 Thơng số kích thước piston động Vikyno RV125-2 .11 Hình 2.3 Swirl 12 Hình 2.4 Squish 13 Hình 2.5 Các thơng số hình học đỉnh buồng cháy động 13 Hình 2.6 Đường kính họng .14 Hình 2.7 Đường kính cực đại 14 Hình 2.8 Độ sâu buồng cháy .15 Hình 2.9 Bán kính vòng xuyến 15 Hình 2.10 Bán kính phụ 15 Hình 2.11 Khu vực trung tâm 16 Hình 2.12 Các kiểu buồng cháy động diesel (Arturo de Resi et al 2003) 17 Hình 2.13 Đặc tính khí thải (NOx Soot) tương ứng với dạng buồng cháy (Arturo de Resi et al 2003) .18 Hình 2.14 Các kiểu buồng cháy động diesel (Jinou Song et al 2008) 19 Hình 2.15 Các kiểu buồng cháy động diesel (Sungwook Park et al 2008) 19 Hình 2.16 Các kiểu buồng cháy động diesel (Sucharita et al 2013) 20 Hình 2.17 Các kiểu buồng cháy động diesel (Sushma et at 2013) 21 Mục lục Trang iv ... hữu động Vikyno RV1 25 -2 thể Hình 2. 1 Hình 2. 2 Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trang 10 Hình 2. 1 Hình dạng đỉnh piston hữu động Vikyno RV1 25 -2 Hình 2. 2 Thơng số kích thước piston động Vikyno RV1 25 -2 Chương... đặc tính ngồi động Vikyno RV1 25 -2 Hình 2. 1 Hình dạng đỉnh piston hữu động Vikyno RV1 25 -2 .11 Hình 2. 2 Thơng số kích thước piston động Vikyno RV1 25 -2 .11 Hình 2. 3 Swirl 12. .. thành hỗn hợp cháy, từ cải thiện đặc tính phát thải động vikyno RV1 25 -2 1.3 Phương pháp nghiên cứu  Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: - Sử dụng lý thuyết mô chuyên ngành nhiệt động, lưu chất, … -