Mô phỏng quá trình cháy của động cơ phun xăng trực tiếp 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 TRỰC TIẾP SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU XĂNG- ETHANOL Sinh viên thực hiện: ĐỖ NGỌC THƯƠNG Đà Nẵng – Năm 2018 TÓM TẮT Tên đề tài: “ Mơ q trình cháy động phun xăng trực tiếp sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol ” Sinh viên thực hiện: Số thẻ SV: Đỗ Ngọc Thương 103130083 Lớp: 13C4A Đề tài tập trung việc tìm hiểu thực mơ q trình cháy động phun xăng trực tiếp sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol Đề tài xây dựng từ nhiều kiến thức chuyên ngành phục vụ việc tính tốn mơ Chương 1: Tổng quan động đánh lửa cưỡng phun xăng trực tiếp GDI Giới thiệu động sử dụng hệ thống phun xăng trực tiếp nhiên liệu xăng-ethanol Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trình bày chu trình làm việc động đánh lửa cưỡng bức, sở lý thuyết mơ q trình cháy Chương 3: Mơ hình hóa 3D buồng cháy, lập quy trình tính tốn điều kiện biên mơ q trình cháy động Daewoo Nubira 1.6L DOHC Giới thiệu phần mềm ANSYS Fluent 15.0 động Daewoo Nubira 1.6L DOHC Trình bày việc xây dựng mơ hình buồng cháy phần mềm Catia, xây dựng quy trình tính tốn xác định điều kiện biên mô Chương 4: Kết mơ q trình cháy động phun xăng trực tiếp sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol Trình bày kết ảnh hưởng tỉ lệ ethanol thời điểm phun đến chu trình làm việc động ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc KHOA CƠ KHÍ GIAO THƠNG NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Đỗ Ngọc Thương Số thẻ sinh viên: 103130083 Lớp: 13C4A Khoa: Cơ Khí Giao Thơng Ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Tên đề tài đồ án: “ Mơ q trình cháy động phun xăng trực tiếp sử dụng nhiên liệu xăngethanol ” 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 Nubira 1.6L DOHC Theo tài liệu tham khảo Nội dung phần thuyết minh tính tốn: - Tổng quan động đánh lửa cưỡng phun xăng trực tiếp GDI Cơ sở lý thuyết Mơ hình hóa 3D buồng cháy, lập quy trình tính tốn điều kiện biên mơ - trình cháy động Daewoo Nubira 1.6L DOHC Kết mơ q trình cháy động phun xăng trực tiếp sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol Các vẽ, đồ thị: STT Tên vẽ Số lượng/loại giấy Bản vẽ mặt cắt dọc động 1/A3 Sơ đồ quy trình tính tốn 1/A3 Mơ hình hình học buồng cháy 1/A3 Kết mơ 5/A3 Tổng Họ tên người hướng dẫn: ThS Nguyễn Quang Trung Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 29/1/2018 Ngày hoàn thành đồ án: 28/5/2018 8/A3 Đà Nẵng, ngày 29 tháng năm 2018 Trưởng Bộ môn: Máy Động Lực Người hướng dẫn PGS.TS Dương Việt Dũng ThS Nguyễn Quang Trung LỜI NÓI ĐẦU Trong năm gần đây, nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày cạn kiệt nhu cầu lượng giới khơng ngừng tăng lên việc nghiên cứu sử dụng dạng lượng quan tâm Việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học giải pháp cần thiết thay cho nhiên liệu hóa thạch Vì việc sản xuất nhiên liệu sinh học thực hiện, ngồi sử dụng nhiên liệu sinh học cịn góp phần giảm thiểu nhiễm mơi trường Từ vấn đề đó, với kiến thức học hướng dẫn tận tình giáo viên hướng dẫn, em định thực đề tài: “ Mơ q trình cháy động phun xăng trực tiếp sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol” Trên sở lý thuyết đề tài thực mơ q trình cháy động phun xăng trực tiếp sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol động đánh lửa cưỡng nhờ phần mềm ANSYS Fluent 15.0 nhằm đánh giá khả sử dụng tỉ lệ ethanol vị trí thời điểm phun nhiên liệu Từ rút kết luận khả sử dụng tỉ lệ ethanol thực tế đáp ứng cơng suất động kiểm sốt lượng phát thải ô nhiễm Qua thời gian thực đồ án em có hội học cách làm việc theo nhóm ơn lại kiến thức học động đốt Tìm hiểu kiến thức nhiên liệu sinh học học hỏi kỹ sử dụng phần mềm giúp ích nhiều cho việc phát triển thân Trong thời gian thực đề tài thời gian có hạn kiến thức cịn hạn chế nên q trình thực khơng thể tránh khỏi thiếu sót định Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Quang Trung tận tình hướng dẫn trình làm đồ án Em mong nhận đóng góp ý kiến quý thầy để đề tài hoàn thiện i CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài “Mô trình cháy động phun xăng trực tiếp sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol ” thực dựa giúp đỡ giáo viên hướng dẫn thu thập kiến thức từ tài liệu tham khảo Vì đề tài đảm bảo tính liêm học thuật Sinh viên thực Đỗ Ngọc Thương 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 SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ix MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC PHUN XĂNG TRỰC TIẾP GDI 1.1 Giới thiệu động đánh lửa cưỡng phun xăng trực tiếp GDI .2 1.1.1 Động phun xăng trực tiếp 1.1.2 Các dạng buồng cháy động phun xăng trực tiếp 1.1.2.1 Các yêu cầu buồng cháy GDI 1.1.2.2 Vị trí đặt kim phun bougie 1.1.2.3 Các phương pháp tạo hỗn hợp phân lớp buồng đốt động GDI 1.1.3 Hệ thống cung cấp nhiên liệu động phun xăng trực tiếp GDI 1.2 Tính chất nhiên liệu xăng ethanol 1.2.1 Tính chất nhiên liệu xăng 1.2.1.1 Thành phần hóa học phụ gia xăng 1.2.1.2 Các tiêu đánh giá tính chất nhiên liệu xăng .9 1.2.2 Cồn sinh học 12 Chương 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT 14 2.1 Chu trình làm việc động đánh lửa cưỡng [1] 14 2.1.1 Quá trình nạp 14 2.1.1.1 Khái niệm chung thông số .14 2.1.1.2 Hệ số nạp 17 2.1.2 Quá trình nén 17 2.1.2.1 Diễn biến thông số của trình nén 17 iii 2.1.2.2 Những yếu tố gây ảnh hưởng đến n1 trung bình: 18 2.1.3 Quá trình cháy 19 2.1.4 Quá trình giãn nở 21 2.1.5 Quá trình thải 23 2.2 Lí thuyết mơ trình cháy động đốt 23 2.2.1 Chu trình nhiệt động động đốt 23 2.2.2 Cơ sở xác định thơng số hịa khí 25 2.2.2.1 Hệ số tương đương  [5] 25 2.2.2.2 Quy luật truyền nhiệt [5] 25 2.2.2.3 Quy luật trao đổi chất [5] 25 2.2.2.4 Nhiệt động học tia phun 26 2.2.2.5 Nhiệt động môi chất 26 2.2.3 Mơ hình tính tốn chu trình nhiệt động đốt 27 2.2.3.1 Sơ đồ thuật tốn tính nhiệt động học động đốt 27 2.2.3.2 Mơ hình 3D-CFD tính tốn q trình cháy động đốt 29 2.2.3.3 Hệ phương trình vi phân sử dụng mô 3D-CFD 31 2.2.4 Nhiệt động học phản ứng 33 2.2.4.1 Nhiệt động hỗn hợp 34 2.2.4.2 Nhiệt động phản ứng 34 2.2.4.3 Mơ hình cháy hai khu vực lửa rối 36 Chương 3: MƠ HÌNH HĨA 3D BUỒNG CHÁY, LẬP QUY TRÌNH TÍNH TỐN VÀ ĐIỀU KIỆN BIÊN MƠ PHỎNG Q TRÌNH CHÁY ĐỘNG CƠ DAEWOO NUBIRA 1.6L DOHC 38 3.1 Giới thiệu động Daewoo Nubira 1.6L DOHC 38 3.1.1 Thông số kĩ thuật động Daewoo Nubira 1.6L DOHC 38 3.1.2 Tính tốn lượng nhiên liệu xăng-ethanol cung cấp cho động hệ số tương đương 39 3.1.2.1 Tính tốn lượng nhiên liệu xăng-ethanol cung cấp cho động 39 3.1.2.2 Tính hệ số tương đương ϕ 41 3.2 Xây dựng mơ hình 3D buồng cháy, lập quy trình tính tốn điều kiện biên điểm mơ q trính cháy động Daewoo Nubira 1.6L DOHC 42 3.2.1 Giới thiệu phần mềm ANSYS Fluent 15.0 42 3.2.2 Xây dựng mơ hình buồng cháy mô 43 3.2.3 Quy trình tính tốn điều kiện biên 45 3.2.3.1 Quy trình tính tốn 45 iv 3.2.3.2 Điều kiện biên 46 Chương 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG TRỰC TIẾP SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU XĂNG-ETHANOL 47 4.1 Trường hợp xăng phun trực tiếp vào buồng cháy (GDI), ethanol phun đường nạp (EPI) 47 4.1.1 Ảnh hưởng tỉ lệ ethanol (E) đến chu trình làm việc động 47 4.1.1.1 Ảnh hưởng tỉ lệ E đến trình nạp 47 4.1.1.2 Ảnh hưởng tỉ lệ E đến trình cháy giãn nở 49 4.1.1.3 Đánh giá phân bố nồng độ xăng, ethanol trình nén trình cháy .52 4.1.2 Ảnh hưởng thời điểm phun đến chu trình làm việc động E30 55 4.1.2.1 Ảnh hưởng thời điểm phun đến trình nạp 55 4.1.2.2 Ảnh hưởng thời điểm phun đến trình cháy giãn nở 57 4.1.2.3 Đánh giá phân lớp cuối trình nén hỗn hợp xăng-ethanol .62 4.2 Trường hợp ethanol phun trực tiếp vào buồng cháy (EDI), xăng phun đường nạp (GPI) 64 4.2.1 Ảnh hưởng tỉ lệ E đến trình nạp 64 4.2.2 Ảnh hưởng tỉ lệ E đến trình cháy giãn nở .67 4.2.3 Đánh giá phân bố nồng độ xăng, ethanol trình nén trình cháy 69 4.3 Đánh giá kết hai trường hợp phun GDI-EPI EDI-GPI .72 4.3.1 Ảnh hưởng tỉ lệ ethanol 72 4.3.2 Ảnh hưởng thời điểm phun nhiên liệu 74 4.3.3 Ảnh hưởng vị trí đặt vịi phun nhiên liệu động 75 KẾT LUẬN 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 PHỤ LỤC v DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ Bảng 1.1 So sánh số tính chất cồn so với xăng 12 Bảng 3.1 Các thông số động Daewoo Nubira 1.6L DOHC 38 Bảng 3.2 Dữ liệu phun ethanol, xăng nhiên liệu theo khối lượng tính từ tỉ lệ thể tích 41 Bảng 3.3 Tỉ lệ đậm, nhạt hỗn hợp nhiên liệu theo ϕ λ [6] 42 Bảng 3.4 Điều kiện biên 46 Bảng 4.1 Nhiệt độ, áp suất cuối trình nạp 48 Bảng 4.2 Hệ số dư lượng khơng khí α hệ số tương đương ϕ theo thành phần hỗn hợp nhiên liệu 330 độ 49 Bảng 4.3 Nhiệt độ, áp suất cực đại trình cháy giãn nở 50 Bảng 4.4 Lượng NO, CO2 cực đại sinh trình cháy giãn nở theo tỉ lệ ethanol 51 Bảng 4.5 Nhiệt độ, áp suất cuối trình nạp thời điểm phun 56 Bảng 4.6 Hệ số dư lượng khơng khí λ hệ số tương đương ϕ theo thành phần hỗn hợp nhiên liệu 330 độ 57 Bảng 4.7 Nhiệt độ, áp suất cực đại trình cháy giãn nở thời điểm phun 58 Bảng 4.8 Nhiệt độ, áp suất cuối trình nạp 65 Bảng 4.9 Nhiệt độ, áp suất cực đại trình cháy giãn nở 68 Bảng 4.10 Lượng NO, CO2 cực đại sinh trình cháy giãn nở theo tỉ lệ ethanol 69 Hình 1.1 Lịch sử hình thành động GDI Hình 1.2 Buồng cháy động phun xăng trực tiếp Hình 1.3 Sơ đồ kết cấu buồng đốt động PFI GDI Hình 1.4 Động phun xăng trực tiếp Mazda Sky-G Hình 1.5 Sơ đồ vị trí khác kim phun Hình 1.6 Sơ đồ dạng buồng đốt tạo hỗn hợp phân lớp Hình 1.7 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động phun xăng trực tiếp Bosch Hình 2.1 Phần đồ thị cơng q trình thay đổi khí động bốn kỳ 15 Hình 2.2 Đồ thị p-V phân tích đường cong đặc trưng trạng thái trình nén 18 Hình 2.3 Quá trình cháy động xăng cháy cưỡng 19 Hình 2.4 Diễn biến thực tế áp suất p số giãn nở n 2’ trình giãn nở 22 Hình 2.5 Diễn biến trình thải động bốn kỳ 23 Hình 2.6 Mơ hình hệ nhiệt động học mở động đốt 24 Hình 2.7 Sơ đồ tính chu trình nhiệt động đốt [5] 27 vi Mơ q trình cháy động phun xăng trực tiếp sử dụng nhiên liệu xăng- ethanol Bảng 4.10 Lượng NO, CO2 cực đại sinh trình cháy giãn nở theo tỉ lệ ethanol Tỉ lệ ethanol (% thể tích) E0 E10 E20 E30 E40 E50 NO (ppm) 83 82 27 26 27 32 9,74 9,73 9,88 9,85 9,74 9,75 CO2 (%) 4.2.3 Đánh giá phân bố nồng độ xăng, ethanol trình nén trình cháy Hình 4.32 4.33 thể biểu đồ màu nồng độ xăng nồng độ ethanol mặt cắt ngang vị trí ĐCT (y=0) mặt cắt dọc qua phương x theo góc quay trục khuỷu Ethanol phun trực tiếp vào buồng cháy nắp máy (x=0, y=2) xăng phun vào nhánh đường nạp phía phải (x