Nghiên cứu mô phỏng đánh giá đặc tính động cơ 4 xy lanh phun biogas trực tiếp, đánh lửa cưỡng bức

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN THẾ SƠN NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ XY-LANH PHUN BIOGAS TRỰC TIẾP, ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC Chuyên ngành : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số : 60520116 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2021 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: PGS.TS NGUYỄN NGỌC DŨNG………………… (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 25 tháng 01 năm 2021 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) Chủ tịch: PGS.TS Lê Đình Tuân Thư ký: TS Trần Đăng Long Phản biện 1: TS Hồng Đức Thông Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Ngọc Dũng Ủy viên: TS Trần Hữu Nhân Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KT GIAO THƠNG PGS.TS Lê Đình Tn PGS TS Lê Đình Tuân TS Trần Hữu Nhân i TS Trần Hữu Nhân ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRẦN THẾ SƠN MSHV: 1770536 Ngày, tháng, năm sinh: 18/06/1990 Nơi sinh: Đồng Nai Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực Mã số: 60520116 I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu mơ đánh giá đặc tính động xy-lanh phun biogas trực tiếp, đánh lửa cưỡng A simulation study on performance characteristics of a biogas-fueled spark ignition engine with direct injection type II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu tổng quan động đánh lửa cưỡng bức, sử dụng nhiên liệu khí cơng trình nghiên cứu khoa học ngồi nước có liên quan Xây dựng mơ hình nghiên cứu mơ đánh giá đặc tính động nhiều xy- lanh phun trực tiếp, đánh lửa cưỡng theo điều kiện vận hành cụ thể Đánh giá kết mô rút khuyến nghị tính khoa học khả ứng dụng dòng động tương lai III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: /09/2020 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: /01/2021 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): PGS.TS Huỳnh Thanh Công Tp HCM, ngày tháng năm 2021 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) PGS TS Huỳnh Thanh Công TS Trần Đăng Long TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG (Họ tên chữ ký) 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 TRẦN THẾ SƠN iii TĨM TẮT Đề tài thực việc nghiên cứu xây dựng mơ hình mơ ảnh hưởng tỉ lệ thành phần 𝐶𝐻4 biogas đến đặc tính công suất động xy-lanh sử dụng biogas phun trực tiếp, đánh lửa cưỡng Đề tài thực đặc tính động sử dụng tỷ lệ CH4/CO2 thực tế dao động dạng chính: 50/50, 55/45, 60/40, 65/35, 70/30, 75/25 Đơn vị % thể tích Kết cho thấy thay xăng biogas cơng suất, mơ-ment, nhiệt độ, áp suất động có giảm thành phần khí thải độc hại NOx, CO giảm đáng kể (như trình bày Chương 4), góp phần lớn cơng tác bảo vệ môi trường sống Dựa vào kết quả, đồ thị nhận xét luận văn khuyến nghị sử dụng biogas với thành phần 75% CH4 25% CO2 thơng số tiệm cận với thơng số nhiên liệu Xăng phù hợp cho việc dùng thực tế ABSTRACT The thesis has researched and built a simulation model on the effect of the CH4 component ratio in biogas on the performance characteristics of a 4-cylinder engine using direct injection biogas, forced ignition The project performed the engine characteristics using the actual CH4 / CO2 ratio fluctuating main forms: 50/50, 55/45, 60/40, 65/35, 70/30, 75/25 Unit is% by volume The results showed that when replacing Gasoline with biogas, the engine capacity, torque, temperature, and pressure decreased, but the composition of harmful emissions such as NOx, CO decreased significantly (as shown in the Chapter 4), greatly contributing to the protection of living environment Based on the results, graphs and comments, the thesis recommends using biogas with the composition of 75% CH4 25% CO2 because the parameters are asymptotic to those of the fuel that Petrol is suitable for practical use iv LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng TRẦN THẾ SƠN v năm 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) 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 BẢNG DANH MỤC HÌNH CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .6 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1.5 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 1.6 Tổng quan nhiên liệu Biogas 1.7 Các nghiên cứu nước 15 1.7.1 Kết nghiên cứu giới sử dụng Biogas động 16 1.7.2 Nghiên cứu nước sử dụng Biogas động .19 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT .25 2.1 Cơ sở lý thuyết đánh giá đặc tính động 25 2.1.1 Đặc tính cơng suất .25 2.1.2 Tiêu hao nhiên liệu 26 2.1.3 Năng lượng cung cấp ban đầu .27 2.1.4 Hiệu suất nhiệt .27 2.2 Phần mềm AVL Boost mơ hình ứng dụng 27 2.2.1 Mơ hình nhiệt động lực học 28 2.2.2 Mơ hình cháy Vibe zone 29 2.2.3 Mô hình truyền nhiệt 32 2.2.4 Mơ hình hình thành khí thải 33 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG 36 3.1 Trình tự mơ 36 3.2 Mơ hình hóa đối tượng nghiên cứu 36 3.3 Xác định điều biện ban đầu điều kiện biên cho mơ hình mơ 37 3.3.1 Điều kiện ban đầu 37 3.3.2 Điều kiện vận hành 38 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 39 4.1 Đặc tính cơng suất theo tốc độ động (có so sánh với nhiên liệu xăng loại)39 4.2 Đánh giá đặc tính cháy (có so sánh với nhiên liệu xăng loại) 41 4.3 Đánh giá đặc tính phát thải (có so sánh với nhiên liệu xăng loại) 43 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 47 5.1 Kết luận 47 5.2 Hướng phát triển 47 KẾ HOẠCH THỰC HIỆN 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO .49 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Các nguồn Biogas Việt Nam .13 Bảng 1.2 Khả sản xuất Biogas từ nguồn nguyên liệu khác .14 Bảng 1.3 Các mơ hình động sử dụng Biogas 15 Bảng 2.1 Cơ chế hình thành CO 33 Bảng 2.2 Cơ chế hình thành NOx theo phản ứng 34 Phần tử ống xác định thơng số hình học, gồm: đường kính, chiều dài, độ cong, hệ số cản, hệ số truyền nhiệt Để có kích thước xác đoạn ống cần đo đạc xác từ động thực tế PL1.8 Nhập thơng số đường ống Kích thước phần tử ống có ảnh hưởng lớn đến kết mô sau - Laminar Friction Coefficient: hệ số Laminar Đối với chế độ dòng chảy Laminar, hệ số có giá trị mặc định 64 - Heat Transfer: hệ số truyền nhiệt, hệ số tổn thất nhiệt chênh lệch nhiệt độ thành ống dịng mơi chất chảy ống - Turbulent friction: hệ số ma sát rối, xác định hệ số độ nhám bề mặt Hệ số ma sát thành ống cho dòng chảy rối phụ thuộc vào độ nhám Rz, đường kính ống số Reynolds dòng chảy Đối với dòng chảy rối, phần mềm có cung cấp giá trị tham khảo sau: Bảng PL1.1 Hệ số ma sát theo vật liệu đường kính ống 57 Đường kính ống [mm] Vật liệu (Độ nhám [mm]) 30 60 100 150 Nhựa (0.0015) 0.011 0.01 0.01 0.01 Thép (0.05) 0.023 0.019 0.017 0.016 Thép cũ (0.17) 0.032 0.027 0.023 0.021 Gang (nhỏ 0.25) 0.037 0.029 0.026 0.023 Gang (lớn 0.5) 0.044 0.037 0.031 0.028 - Bending Radius: độ cong, tính theo đường tâm ống Nếu ống có nhiều đoạn cong khác số liệu độ cong ống thống kê theo bảng Ví dụ bảng sau: Bảng PL1.2 Ví dụ Bending Radius Trong đó, độ cong xác định sau: - Từ 0-105mm độ cong 120mm - Từ 105-210mm độ cong 60mm - Từ 210-315mm độ cong 10000mm Góc uốn cong phần đường ống tính từ chiều dài phần định nghĩa chia cho bán kính độ cong, ví dụ như: Bend Angle = 210 − 105 = 1.75(rad) = 100(deg) 60 - Wall Temperature: nhiệt độ thành ống, vị trí khác giá trị nhiệt độ khác giá trị xác định thông qua thực nghiệm 58 * Phần tử lọc khí (Air Cleaner): - General: bao gồm thơng số kích thước hình học lọc khí + Total Air Cleaner Volume: thể tích tồn + Inlet Collector Volume: thể tích ống nạp vào lọc + Outlet Collector Volume: thể tích ống góp lọc + Length of Filter Element: chiều dài phận phin lọc PL1.9 Nhập liệu chung cho lọc khí - Friction, thông số ma sát xác định, gồm: + Mass Flow: lưu lượng dịng khí + Target Pressure Drop: tổn thất áp suất + Inlet Pressure: áp suất vào + Inlet Air Temperature: nhiệt độ khí nạp 59 PL1.10 Nhập thông số Friction (Air Cleaner) * Phần tử Cylinder (Xy-lanh): - General: bao gồm thơng số kích thước xylanh đường kính xy-lanh, hành trình pit tơng, tỉ số nén, chiều dài truyền, kích thước chốt pit tơng (hình 3.17) PL1.11 Nhập kích thước xy-lanh 60 - Initialization (điều kiện ban đầu xy-lanh): mục cung cấp yếu tố áp suất, nhiệt độ Lựa chọn phương pháp thể loại tỉ lệ khơng khí nhiên liệu (như tỉ lệ A/F, lambda, hệ số đậm) PL1.12 Nhập điều kiện ban đầu xylanh - Combustion (quá trình cháy): + Heat Release: q trình tính tốn lượng nhiệt tỏa động xác định thông qua mô hình cháy khác tùy thuộc vào loại động mô Đối với động mô ta lựa chọn mơ hình cháy Vibe 2-zone + Mixture Preparation: chọn External, động thực nghiệm sử dụng kim phun nạp nhiên liệu họng nạp bên buồng cháy + Vibe 2-zone: mơ hình cháy cho phép lựa chọn thơng số (1) Start of Combustion: thời điểm hỗn hợp nhiên liệu khơng khí bắt đầu cháy (2) Combustion Duration: thời gian trình cháy diễn theo góc quay trục khuỷu 61 (3) Shape Parameter m: hệ số hình học xác định đỉnh áp xuất cháy (4) Parameter a: hệ số chọn mặc định 6.9 PL1.13 Nhập thơng số mơ hình cháy Vibe 2-zone - Heat Transfer: mơ hình truyền nhiệt thành vách xy-lanh Ở chọn mơ hình truyền nhiệt Woschni 1978 PL1.14 Nhập thơng số mơ hình truyền nhiệt - Valve Port Specifications: liệu hệ thống phân phối khí 62 + Valve Intake: thơng số xu-pap nạp nhập tương ứng theo góc quay trục khuỷu, độ nâng hạ xu-pap nạp tương ứng, hệ số lưu lượng cửa nạp PL1.15 Nhập thông số xu-pap nạp + Valve Exhaust: thông số xu-pap thải nhập tương ứng theo góc quay trục khuỷu, độ nâng hạ xu-pap thải tương ứng, hệ số lưu lượng cửa thải PL1.16 Nhập thông số xu-pap thải Độ nâng xu-pap nạp theo góc quay trục khuỷu trình bày bảng 3: 63 Bảng PL1.3 Độ nâng xu-pap nạp theo góc quay trục khuỷu GQTK (độ) 340 350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 Độ nâng (mm) 0.19 0.29 0.49 0.69 0.99 1.39 1.89 2.54 3.19 3.99 GQTK (độ) 450 460 470 480 490 500 510 520 530 540 550 Độ nâng (mm) 4.39 4.79 4.99 5.09 5.14 5.09 4.99 4.79 4.39 4.09 3.19 GQTK (độ) 560 570 580 590 600 610 620 630 640 650 Độ nâng (mm) 2.44 1.89 1.44 0.99 0.69 0.44 0.29 0.19 0.01 Độ nâng xupap thải theo góc quay trục khuỷu trình bày bảng 4: Bảng PL1.4 Độ nâng xupap thải theo góc quay trục khuỷu GQTK (độ) 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 Độ nâng (mm) 0.19 0.29 0.49 0.69 0.99 1.39 1.89 2.54 3.19 3.99 GQTK (độ) 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 Độ nâng (mm) 4.39 4.79 4.99 5.09 5.14 5.09 4.99 4.79 4.39 4.09 3.19 GQTK (độ) 350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 Độ nâng (mm) 2.44 1.89 1.44 0.99 0.69 0.44 0.29 0.19 0.1 + Flow Coefficient (hệ số lưu lượng): hệ số tính thơng qua diện tích đế xupap có cơng thức sau: nv d vi2 f sc  d pi2 (3.1) Trong đó: 64 - nv: số xupap - dvi: đường kính đế xupap - dpi: đường kính ống Diện tích mặt cắt ngang dịng chảy tính theo cơng thức [34]: d pi2  Aeff  f sc  (3.2) Với 𝛼 hệ số lưu lượng * Phần tử Plenum (bình ổn áp), gồm: - General: liệu chung thơng số kích thước bình Ở đây, lựa chọn phương pháp xác định kích thước phương pháp nhập số liệu thể tích - Initialization: điều kiện ban đầu Yêu cầu thông số gồm áp suất nhiệt độ dòng lưu chất dẫn vào Số lượng sản phẩm cháy, loại tỉ lệ A/F hiển thị - Connection Definition: kích thước đoạn nối đầu cuối bình - Flow Coefficients: hệ số lưu lượng dòng chảy PL1.17 Nhập thông số chung Plenum 65 PL1.18 Nhập thông số Connection Definition * Phần tử Measuring Point (điểm đo): xác định vị trí đặt cảm biến đo giống bệ thử thực tế PL1.19 Nhập thông số điểm đo 66 - Location of Measuring Point from Upstream Pipe End: vị trí khoảng cách đường ống + Chế độ Standard: cho phép xuất kết gồm áp suất, vận tốc dòng chảy, nhiệt độ, số Mach, lưu lượng dòng khí + Chế độ Extended: cho phép xuất thêm kết khác phân bố nhiên liệu, số Enthalpy, phân bố sản phẩn cháy, dòng chảy nhiên liệu, dòng chảy sản phẩm cháy, dao động áp suất vận tốc… * Phần tử Restriction: PL1.20 Nhập thông số chung cho Restriction - Flow Coefficients: hệ số dòng chảy phụ thuộc nhiều vào chi tiết thiết kế (như van điều khiển, bề mặt thành ống, thay đổi đột ngột đường kính ống) Đối với mở rộng đột ngột dòng chảy (hướng dòng chảy từ đường ống nhỏ vào đường ống có đường kính lớn hơn), hệ số dịng chảy phụ thuộc vào diện tích mặt cắt ngang nhiên nhập giá trị 1(ngồi giá trị tham khảo cung cấp bảng 3.7 [34]) 67 PL1.21 Hình minh hoạ phương pháp xác định hệ số lưu lượng Bảng PL1.5 Tỉ lệ tham khảo hệ số lưu lượng thay đổi kích thước ống dẫn Tỉ lệ (r/d) Tỉ lệ (d/D)2 0,0 0,4 0,7 0,9 1,0 0,0 0,815 0,865 0,915 0,960 1,0 0,02 0,855 0,895 0,935 0,970 1,0 0,06 0,910 0,935 0,960 0,980 1,0 0,12 0,955 0,970 0,980 0,990 1,0 > 0,20 0,985 0,990 0,995 0,998 1,0 * Phần tử Engine (động cơ): 68 PL1.22 Nhập thông số chung cho Engine - General: + Transient Engine Speed: mô trạng thái ổn định mặc định BOOST mơ động tăng tốc giảm tốc cách sử dụng công cụ + Engine Speed: tốc độ động cơ, tốc độ quay trục khuỷu Engine speed chọn cụ thể giá trị đặt làm biến + Cycle Type: loại chu kỳ động BOOST đưa ba lựa chọn mô động kỳ, kỳ động có piston quay [34] - Engine Friction: có loại tùy chọn ma sát động + None: động lý tưởng khơng có tổn thất ma sát + Table: FMEP xác định hàm tải, biểu diễn bới BMEP tốc độ động + Patton, Nischke, Heywood-Model: mô hình tính tốn dựa việc thiết lập loại động hình học liên quan đến thơng số đầu vào + Shayler, Leong, Murphy-Model: tương tự mô hình 69 PL1.23 Nhập thơng số Engine Friction - Friction Model: + Cylinder Arrangement: cách bố trí xy-lanh + Type of Valve Train: cách bố trí trục cam + Maximum Valve Lift: độ nâng xu-pap tối đa + Type of Cam Follower: cấu tạo đội đũa đẩy + Oil type: loại dầu dử dụng cho động + Oil Temperature: nhiệt độ dầu 70 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên học viên: Trần Thế Sơn Ngày, tháng, năm sinh: 18/06/1990 Nơi sinh: Đồng Nai Địa liên lạc: 413/18/1 Lê Văn Quới, Bình Trị Đơng A, Bình Tân Số điện thoại: 0974 532 823 Q TRÌNH ĐÀO TẠO Từ năm 2012 đến năm 2015: Học Đại Học trường Đại Học Công nghiệp Tp HCM Hình thức đào tạo: Chính quy Chun ngành : Kỹ Thuật Ơ Tơ Từ năm 2017 đến : Học Cao học Trường Đại Học Bách Khoa Tp HCM Hình thức đào tạo: Chính quy Chun ngành: Kỷ thuật Cơ Khí Động Lực Q TRÌNH CƠNG TÁC 2018 – đến nay: Giảng dạy trường Cao Đẳng Lý Tự Trọng Tp.HCM ... thực việc nghiên cứu xây dựng mơ hình mô ảnh hưởng tỉ lệ thành phần