Nghiên cứu mô phỏng đặc tính công suất động cơ free piston sử dụng biogas

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HỒ VĂN PHÚC NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG ĐẶC TÍNH CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ FREE-PISTON SỬ DỤNG BIOGAS Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực Mã số: 8520116 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2020 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Cán hướng dẫn khoa học: PGS TS HUỲNH THANH CÔNG ………… (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: TS HỒNG ĐỨC THÔNG……………………… (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: TS NGUYỄN VĂN TRẠNG…………………… (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 19 tháng 09 năm 2020 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) PGS TS Lê Tất Hiển……………… TS Trần Đăng Long ……………… TS Hồng Đức Thông……………… TS Nguyễn Văn Trạng …………… TS Đặng Tiến Phúc………………… Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG i NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: HỒ VĂN PHÚC MSHV: 1870363 Ngày, tháng, năm sinh: 07/07/1996 Nơi sinh: Quảng Nam Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực Mã số: 8520116 I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu mơ phịng đặc tính cơng suất động free-piston sử dụng biogas II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu tổng quan FPE sử dụng nhiên liệu thay biogas Xây dựng mơ hình tiến hành mơ đánh giá đặc tính tiêu biểu Rút khuyến nghị thảo luận khả áp dụng thực tiễn III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/08/2019 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/06/2020 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS HUỲNH THANH CÔNG Tp Hồ Chí Minh, ngày 08 tháng 09 năm 2020 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TS TRẦN ĐĂNG LONG PGS TS HUỲNH THANH CÔNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG TS TRẦN HỮU NHÂN ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời tri ân chân thành biết ơn sâu sắc đến gia đình ủng hộ động viên suốt thời gian qua Tôi xin chân thành cảm ơn tri ân PGS TS HUỲNH THANH CÔNG hướng dẫn khoa học tạo điều kiện thuận lợi cho thời gian học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn Trân trọng Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2020 HỒ VĂN PHÚC iii TÓM TẮT Đề tài thực việc nghiên cứu xây dựng mơ hình mơ ảnh hưởng tỉ lệ thành phần 𝐶𝐻4 biogas đến đặc tính cơng suất động free-piston hai kỳ loại đối đỉnh Các trường hợp sử dụng biogas với tỉ lệ thành phần 40%𝐶𝐻4 ; 50%𝐶𝐻4 ; 60%𝐶𝐻4 ; 70%𝐶𝐻4 100%𝐶𝐻4 chọn làm điểm mô cho điểm tốc độ động 𝑓 = 16,7𝐻𝑧; 33,3𝐻𝑧; 50𝐻𝑧; 66,7𝐻𝑧 83,3𝐻𝑧 Kết cho thấy lượng khí nạp cải thiện sử dụng biogas với tỉ lệ phần trăm 𝐶𝐻4 thấp, hiệu suất nạp lại giảm, cụ thể, %𝐶𝐻4 giảm từ 100% đến 40% 𝑓 = 83,3𝐻𝑧, hiệu suất nạp giảm từ 0,8518 đến 0,7673, giảm 11,01% Áp suất cháy cực đại tốc độ cao sử dụng biogas với thành phần 100%𝐶𝐻4 (≈ 4𝑁𝑀/𝑚2 𝑓 = 83,3𝐻𝑧), đồng thời tốc độ cháy cao sử dụng biogas có thành phần 𝐶𝐻4 lớn Từ áp suất xylanh, đặc tính cơng suất thị động theo tốc độ trường hợp %𝐶𝐻4 xây dựng ABSTRACT Researches were carried out in this study with an aim to setting up a simulation model capable of presenting the effects of 𝐶𝐻4 on thermal efficiency of the two-stroke linear free-piston engine The following cases including 40%𝐶𝐻4 ; 50%𝐶𝐻4 ; 60%𝐶𝐻4 ; 70%𝐶𝐻4 and 100%𝐶𝐻4 at different engine’s speed points 𝑓 = 16,7𝐻𝑧; 33,3𝐻𝑧; 50𝐻𝑧; 66,7𝐻𝑧 83,3𝐻𝑧 are implemented The result shows that although delivered gas mass enhanced when using low %𝐶𝐻4 biogas, the volumetric efficiency is decreased Indeed, when %𝐶𝐻4 is reduced from 100% to 40% at 𝑓 = 83,3𝐻𝑧, intake efficiency dropped from 0,8518 to 0,7673, equally 11,01% Combustion pressure at the same engine’s speed was the highest taking into terms the 100 %𝐶𝐻4 mixture (≈ 4𝑁𝑀/𝑚2 at 𝑓 = 83,3𝐻𝑧) Simultaneously, combustion speed higher when we increasing 𝐶𝐻4 components From the cylinder’s pressure, indicated power of the engine at different velocity using the aforementioned %𝐶𝐻4 was presented iv LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2020 HỒ VĂN PHÚC v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT A/F : Tỉ lệ khơng khí/ nhiên liệu CFD : Computational Fluid Dynamics ĐCT : Điểm chết ĐCD : Điểm chết ERR : Tốc độ giải phóng nhiệt (Energy Release Rate) FEM : Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method) HCCI : Homogeneous Charge Compression Ignition MFB : Tỉ lệ nhiên liệu cháy tức thời (Mass Fraction Burned) FPE : Động free-piston (Free-piston Engine) FPLE : Động tịnh tiến free-piston (Free-piston Linear Engine) 0D : Mơ hình 0D (Zero-dimension) vi MỤC LỤC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT iv LỜI CAM ĐOAN v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vi DANH MỤC HÌNH ẢNH x DANH MỤC BẢNG xiv CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.4 Nội dung nghiên cứu 1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.6 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Những nghiên cứu nước 2.2 Những nghiên cứu nước CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10 3.1 Động free-piston 10 3.1.1 Giới thiệu chung 10 3.1.2 Nhiệt động học 13 3.1.3 Động lực học 21 vii 3.2 Khí sinh học biogas 25 3.3 Cơ sở lý thuyết CFD 28 3.4 Phương trình Navier-Stokes 30 3.5 RANS mơ hình chảy rối 𝑘 − 𝜀 33 3.6 Giới thiệu phần mềm MATLAB-Simulink 35 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG 36 4.1 Sơ đồ mô phỏng: 36 4.2 Mơ q trình qt khí nạp 37 4.2.1 Điều kiện biên 37 4.2.2 Phương pháp chia lưới 46 4.2.3 Thực mô 53 4.3 Mô áp suất thị 58 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 61 5.1 Ảnh hưởng phần trăm 𝐶𝐻4 đến q trình qt khí 61 5.1.1 Lượng khí nạp 61 5.1.2 Hiệu suất nạp: 67 5.2 Ảnh hưởng đến trình nhiệt động học: 70 5.2.1 Áp suất thị: 70 5.2.2 Công suất thị: 75 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 77 6.1 Kết luận: 77 6.2 Khuyến nghị 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 viii PHỤ LỤC xiii LÝ LỊCH KHOA HỌC xxv ix [29] T Osamu, S Kohei, T Kenichi, K Kobei and Y Yuji, "The Control Apparatus of an Internal Combustion Design" Japan Patent JP2011202621A, 2011 [30] Jibin Hu, Wei Wu, Shihua Yuan, Chongbo Jing, "Mathematical Modelling of a Hydraulic Free-Piston Engine Considering Hydraulic Valve Dynamics," 2011 [31] T Osamu, S Kohei, T Kenichi, K Kobei and Y Yuji, "The Control Apparatus of an Internal Combustion Design" Japan Patent JP2011202621A, 2011 [32] M C R P Pescara.Patent US Patent No 1657641, 1928 [33] R Mikalsen, A P Roskilly, "A Review of Free-Piston Engine History and Applications," 2007 [34] Văn Thị Bông, H T (2005) Lý thuyết động đốt [35] Ghojel, J I (2010) Review of the developement and applications of the Wiebe function: a tribute to the contribution of Ivan Wiebe to engine research International Journal of Engine Research, 297-312 [36] Moog Linear Motor Datasheet: https://www.moog.com/products/motors- servomotors/linear-motors/support-documents/ [37] White, F M (2009) Integral Relations for a Control Volume In Fluid Mechanics McGraw-Hill 82 PHỤ LỤC Bài báo công bố xiii xiv xv xvi xvii xviii xix xx xxi xxii xxiii xxiv LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC Họ tên: HỒ VĂN PHÚC Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 07/07/1996 Nơi sinh: Quảng Nam Quê quán: thị xã Điện Bàn – Quảng Nam Dân tộc: Kinh Địa liên lạc: 254/98/33 Âu Cơ, phường 9, quận Tân Bình, Tp.HCM Điện thoại: 0772460917 E-mail: hvphuc@ntt.edu.vn II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Hệ đào tạo: Đại học quy Thời gian đào tạo: 8/2014 đến 11/2018 Nơi học: Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh Ngành học: Cơng nghệ Kỹ thuật Ơ tơ Tên luận án tốt nghiệp: Nghiên cứu thiết kế động free-piston Ngày bảo vệ luận án tốt nghiệp: 6/2018, Đại học Bách Khoa Tp.HCM Người hướng dẫn: PGS TS Huỳnh Thanh Cơng III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thời gian 10/2019 - Nay Nơi cơng tác Khoa Cơ khí – Điện – Điện tử - Ơ tơ, Trường Đại học Nguyễn Tất Thành xxv Công việc đảm nhiệm Giảng viên xxvi ... Cơ khí động lực Mã số: 8520116 I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu mô phịng đặc tính cơng suất động free-piston sử dụng biogas II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu tổng quan FPE sử dụng nhiên liệu thay biogas. .. lệ thành phần