Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu ảnh hưởng của B10, E10 và M10 tới trạng thái nhiệt của ống lót xi lanh động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel

Mục đích của luận văn là đưa ra được “bức tranh” về ảnh hưởng của của 3 loại nhiên liệu diesel sinh học có tỷ lệ pha trộn cồn 10% như (B10 - 10% Butanol; E10 - 10% Ethanol và M10 - 10% Methanol) đến trạng thái nhiệt của ống lót xi lanh động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel.

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN TRỌNG QUÝ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA B10, E10 VÀ M10 TỚI TRẠNG THÁI NHIỆT CỦA ỐNG LÓT XI LANH ĐỘNG CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU CỒN - DIESEL LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực Thái Nguyên - Năm 2018 ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun, Phịng Đào tạo Khoa kỹ thuật Ơ tơ Máy động lực cho phép thực luận văn Xin cảm ơn Phịng Đào tạo Khoa kỹ thuật Ơ tô Máy động lực hỗ trợ giúp đỡ suốt q trình tơi học tập làm luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Trung Kiên hướng dẫn tận tình chu đáo mặt chun mơn để tơi thực hồn thành luận văn Tơi xin cảm ơn lãnh đạo, đồng nghiệp Cơ quan nơi công tác tạo điều kiện động viên tơi suốt q trình học tập Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy phản biện, thầy hội đồng chấm luận văn đồng ý đọc duyệt góp ý kiến q báu để tơi hồn chỉnh luận văn Cuối xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình bạn bè, người động viên khuyến khích tơi suốt thời gian tơi học tập Tuy nhiên cịn có hạn chế thời gian kiến thức thân nên đề tài tơi cịn nhiều thiếu sót Tơi mong nhận góp ý để luận văn hoàn thiện Học viên iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ viii Lý chọn đề tài Mục đích đề tài 3 Ý nghĩa khoa học thực tiễn * Ý nghĩa khoa học: * Ý nghĩa thực tiễn: 4 Đối tượng nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu Nội dung nghiên cứu CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Các nguồn lượng tồn cầu tình trạng lượng 1.2 Yêu cầu nhiên liệu dùng cho động đốt 1.3 Nhiên liệu thay 1.3.1 Phân loại 1.3.2 Giới thiệu nhiên liệu sinh học 1.3.3 Các loại nhiên liệu khác 12 1.4 Viễn cảnh sử dụng nhiên liệu cho động đốt 14 1.5 Tổng quan truyền nhiệt động đốt 15 1.5.1 Truyền nhiệt động 15 1.5.2 Các mơ hình truyền nhiệt 16 1.5.2.1 Trao đổi nhiệt dẫn nhiệt 16 1.5.2.2 Trao đổi nhiệt đối lưu 18 iv 1.5.2.3 Trao đổi nhiệt xạ 19 1.5.2.4 Quá trình trao đổi nhiệt tổng quát động 20 1.6 Các nghiên cứu nước liên quan đến nội dung đề tài 21 1.7 Kết luận chương 23 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH MÔ PHỎNG 24 BẰNG PHẦN MỀM GT-POWER 24 2.1 Giới thiệu phần mềm GT-Power 24 2.1.1 Giới thiệu chung 24 2.1.2 Cửa sổ giao diện 25 2.2 Thư viện phần tử GT-Power 26 2.3 Mơ hình động V12 33 2.3.1 Cơ sở lý thuyết xây dựng mơ hình động 33 2.3.2 Xây dựng mơ hình 36 2.3.3 Nhập liệu cho mơ hình 37 2.4 Chạy mơ hình (Run Simulation) 41 2.5 Kết luận chương 41 CHƯƠNG KẾT QUẢ TÍNH TỐN MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ V12 42 VÀ TRẠNG THÁI NHIỆT ỐNG LÓT XILANH 42 THEO CÁC LOẠI NHIÊN LIỆU KHẢO SÁT 42 3.1 Kết tính tốn tiêu cơng tác động V12 42 3.2 Hệ số truyền nhiệt nhiệt độ môi chất công tác sử dụng nhiên liệu D100, B10, E10 M10 47 3.3 Tính tốn trường nhiệt độ ống lót xi lanh động V12 sử dụng D100, B10, E10 M10 49 3.3.1 Mơ hình hình học ống lót xi lanh động V12 49 3.3.2 Các giả thiết điều kiện biên mô hình tính tốn 50 3.4 Kết luận chương 62 v KẾT LUẬN CHUNG 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 PHỤ LỤC 68 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải B10 Nhiên liệu pha trộn 10% butanol 90% diesel khoáng E10 Nhiên liệu pha trộn 10% ethanol 90% diesel khoáng M10 Nhiên liệu pha trộn 10% methanol 90% diesel khống CNG Khí nén thiên nhiên LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng GTL Khí hóa lỏng CTL Than đá hóa lỏng P Áp suất mơi chất cơng tác T Nhiệt độ môi chất công tác  Hệ số truyền nhiệt BSFC Suất tiêu hao nhiên liệu có ích  Hệ số dư lượng không khí IMEP Áp suất thị trung bình BSAC Suất tiêu hao khơng khí có ích vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Phân loại nhiên liệu thay cho động đốt Bảng 2.1 Các phần tử mơ hình động V12, [30] 37 Bảng 2.2 Các thông số đầu vào động V12 sử dụng mơ hình, [30] 39 Bảng 3.1 Kết tính tốn tiêu công tác động V12 43 Bảng 3.2 Kết tính tốn so sánh với số liệu nhà sản xuất 44 theo đặc tính ngồi động V12 [30] 44 Bảng 3.3 Một số tính chất D100, B10, E10 M10 [25], [29] 45 Bảng 3.4 Các tiêu công tác động V12 46 sử dụng nhiên liệu D100, B10, E10 M10 46 Bảng 3.5 Thuộc tính vật liệu chế tạo ống lót xi lanh động V12, [30] 52 viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Kịch đa dạng hóa nhiên liệu châu Âu [8] Hình 1.2 Các loại nhiên liệu thay dùng cho động đốt [8] 14 Hình 1.3 Sơ đồ phân bố nhiệt độ dòng nhiệt 20 ngang thành vách buồng cháy 20 Hình 1.4 Sơ đồ truyền nhiệt đối lưu tới thành buồng cháy, [2] 20 Hình 2.1 Cửa sổ giao diện GT-Power 26 Hình 2.2 Cửa sổ giao diện nhập liệu cho phần tử xy lanh 27 Hình 2.3 Cửa sổ giao diện nhập liệu cho phần tử cấu phân phối khí 28 Hình 2.4 Cửa sổ giao diện nhập liệu cho phần tử vòi phun 29 Hình 2.5 Cửa sổ giao diện nhập liệu cho phần tử thông số động 30 Hình 2.6 Cửa sổ giao diện nhập liệu cho phần tử đường ống 31 Hình 2.7 Cửa sổ giao diện nhập liệu cho phần tử dịng phân chia 32 Hình 2.8 Các vùng tia phun quy luật đánh số vùng, [2], [9] 34 Hình 2.9 Hệ số trao đổi nhiệt theo góc quay trục khuỷu tính tốn 36 theo phương trình Woschni Hohenberg, [2] 36 Hình 2.10 Mơ hình động V12 37 Hình 3.1 Kết tính tốn Me, Gnl so sánh với số liệu nhà sản xuất 44 theo đặc tính ngồi động V12, [30] 44 Hình 3.2 Diễn biến nhiệt độ môi chất xi lanh động 48 sử dụng nhiên liệu D100, B10, E10 M10 48 Hình 3.3 Hệ số truyền nhiệt từ môi chất tới thành vách buồng cháy 48 sử dụng nhiên liệu D100, B10, E10 M10 48 Hình 3.4 Mơ hình hình học ống lót xi lanh động V12 50 Hình 3.5 Mơ hình miền xi lanh động V12 53 Hình 3.6 Mơ hình trao đổi nhiệt ống lót xi lanh động V12 57 Hình 3.7 Trường nhiệt độ ống lót xi lanh sử dụng nhiên liệu D100 60 Hình 3.8 Trường nhiệt độ ống lót xi lanh sử dụng nhiên liệu E10 60 Hình 3.9 Trường nhiệt độ ống lót xi lanh sử dụng nhiên liệu B10 61 Hình 3.10 Trường nhiệt độ ống lót xi lanh sử dụng nhiên liệu M10 61 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Ngày nay, với tăng trưởng số lượng xe giới gia tăng ô nhiễm môi trường khí thải độc hại từ động phương tiện Nguồn ô nhiễm gây ảnh hưởng lớn tới sức khỏe sống người, đặc biệt thành phố lớn có mật độ xe giới mật độ dân cư cao Một giải pháp nhằm giải vấn đề sử dụng loại nhiên liệu thay thế, nhiên liệu sinh học có khả tái tạo thân thiện với mơi trường Do đó, việc nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu sinh học loại phương tiện giai đoạn điều cần thiết Việc nghiên cứu phát triển ứng dụng loại nhiên liệu thay xu hướng chung nhiều nước giới nhằm làm giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, đảm bảo an ninh lượng giảm tác động tới môi trường đặc biệt khí gây hiệu ứng nhà kính Động cháy nén (động diesel) sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực: nông nghiệp, giao thông vận tải, máy phát điện… ưu điểm bật hiệu suất cao; nhiên sản phẩm cháy lại chứa nhiều thành phần độc hại với người mơi trường đặc biệt xít ni tơ (NOx) chất ô nhiễm dạng hạt (PM - Particulate Matter) Sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc sinh học (bio-based fuels) động diesel giải pháp hiệu nhằm giảm phát sinh thành phần độc hại khí xả Một số đó, nhiên liệu cồn (alcohol) nhiên liệu tiềm nhằm giảm phát thải lệ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch Alcohol loại nhiên liệu phù hợp để pha trộn với nhiên liệu diesel, chất nhiên liệu lỏng chứa hàm lượng ô xi cao Trong loại nhiên liệu alcohol, nhiện liệu alcohol chứa hàm lượng bon thấp (chứa nguyên tố cacbon) methanol ethanol coi nhiên liệu pha trộn với nhiên liệu diesel khoáng nhận nhiều quan tâm ưu điểm công nghệ sản xuất có hàm lượng xi cao, cải thiện đáng kể đặc tính cháy đặc tính phát thải Tuy nhiên, số cetane thấp nhiệt ẩn bay cao vấn đề hòa trộn làm cản trở việc sử dụng alcohol có hàm lượng bon thấp làm nhiên liệu thay cho động diesel Nhiên liệu alcohol có hàm lượng bon cao (chứa từ nguyên tố bon trở lên) có nhiều triển vọng làm nhiên liệu thay so với nhiên liệu alcohol hàm lượng bon thấp chúng có số cetane nhiệt trị cao khả hòa trộn tốt Hiện có phương pháp phổ biến để hình thành lên chế độ vận hành lưỡng nhiên liệu cồn - diesel (alcohol - diesel) động cháy nén, là: Phun cồn (Alcohol Fumigation): phương pháp này, nhiên liệu alcohol đưa vào đường ống nạp động thơng qua vịi phun chế hịa khí Pha trộn cồn - diesel (alcohol - diesel blend): phương pháp này, nhiên liệu alcohol diesel hòa trộn theo tỷ lệ định trước để tạo thành hỗn hợp đồng sau phun trục tiếp vào xi lanh thơng qua vòi phun Nhũ tương cồn - diesel (Alcohol - diesel emulsification): theo phương pháp này, sử dụng chất chuyển thể sữa để hòa trộn hỗn hợp nhiên liệu nhằm ngăn chặn phân ly Phun kép (Dual injection): theo đó, sử dụng hệ thống phun riêng rẽ để phun nhiên liệu cồn diesel vào xi lanh Trong phương pháp phun cồn vào đường nạp pha trộn cồn - diesel sử dụng phổ biến Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ cồn đến hiệu suất, đặc tính cháy đặc tính phát thải động diesel [11  29], nhiên cơng trình trình bày kết nghiên cứu thực nghiệm; số trình bày mơ số thuật tốn chương trình mơ khơng giới thiệu chi tiết; vậy, mơ đặc tính loại động lưỡng nhiên liệu cồn - diesel cần thiết để làm chủ công nghệ, ứng dụng vào thực tiễn Việt Nam nhằm giảm ô nhiễm môi trường từ động diesel lưu hành Như ta biết, tốc độ tỏa nhiệt hỗn hợp cồn - diesel lớn so với nhiên liệu diesel truyền thống thời gian cháy trễ kéo dài nhiên liệu alcohol có chứa hàm lượng xi cao; nhiên vấn đề ... pha trộn cồn 10% (B10 - 10% Butanol; E10 - 10% Ethanol M10 - 10% Methanol) đến trạng thái nhiệt ống lót xi lanh động lưỡng nhiên liệu cồn - diesel - Xây dựng mơ hình động lưỡng nhiên liệu (bằng... trạng thái nhiệt ống lót xi lanh động lưỡng nhiên liệu cồn - diesel? ?? làm đề tài luận văn cao học Mục đích đề tài - Mục đích luận văn đưa “bức tranh” ảnh hưởng của loại nhiên liệu diesel sinh... nghiên cứu ảnh hưởng hỗn hợp nhiên liệu cồn - diesel tới trạng thái nhiệt chi tiết bao quanh buồng cháy cần thiết Chính vậy, tác giả lựa chọn đề tài: ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng B10, E10 M10 tới trạng thái