L ời cam đoan
B ng 5.1 Thông số cấu trúc cần phân tích
Chi ti t ng d n khí ph Vòi phun
S l ng 2 4 1 Góc l ch 75o [1] 75o [4] Đồng trục 0o 90o [2] 90o [5] 105o [3] 105o [6]
B ng v k t cấu c a bu ng cháy c i ti n [1]
B ng v k t cấu c a bu ng cháy c i ti n [3]
B ng v k t cấu c a bu ng cháy c i ti n [5]
B ng 5.2 . Mô hình các cấu trúc được phân tích.
(O.ZY) (O.ZX) (O.XY) (O.XYZ)
1
2
3
4
6
5.2.2. Thi t l p thông s và tiêu chí mô ph ng.
ng v́i mỗi cấu trúc buồng cháy, ta tiến hành phân tích quá trình phun nhiên liệu vào buồng sau khi không khí được đẩy vào tạo thành dòng khí xoáy lốc. Tiêu chí để lựa chọn ra cấu trúc tối ưu bao gồm :
Biên dạng xoáy lốc tốt nhất (Dựa trên Streamline của Velocity).
Sự khuếch tán của nhiên liệu trong không khí (Equivalent Ratio hoặc Volume Fraction).
Sự lan truyền của nhiên liệu khi phun vào (Penetration).
Quá trình thiết lập phân tích thực hiện như đối v́i cấu trúc cũ, tuy nhiên cần thiết lập thông số thêm vào cho bốn cửa dẫn khí phụ. Các thông số thực hiện trong quá trình tối ưu cấu trúc được cho như bảng 5.3, 5.4 và 5.5
B ng 5.3 . Thông số thiết lập cho phân tích Fluent trong trư ng hợp áp suất phun nhiên liệu bằng 150 Bar.
150 Bar Main Left Right Fuel Addition Atmospheric
pressure
Area 3.33E-05 3.8E-06 3.8E-06 7E-08 7.9E-07
101325
Density 1.225 1.225 1.225 849.6 1.225
Pressure UDF UDF UDF 15198750 UDF
Mass Flow
Rate 0.056248 0.006421 0.006421 0.007954 0.001335
Length 0.000228 7.7E-05 7.7E-05 1.05E-05 3.51E-05
B ng 5.4 . Thông số thiết lập cho phân tích Fluent trong trư ng hợp áp suất phun nhiên liệu bằng 180 Bar.
180 Bar Main Left Right Fuel Addition Atmospheric
pressure
Area 3.33E-05 3.8E-06 3.8E-06 7E-08 7.9E-07
101325
Density 1.225 1.225 1.225 849.6 1.225
Pressure UDF UDF UDF 18238500 UDF
Mass Flow
Rate 0.056248 0.006421 0.006421 0.008714 0.001335
Length 0.000228 7.7E-05 7.7E-05 1.05E-05 3.51E-05
Mass Flux 1689.625 1689.625 1689.625 124480.6 1689.625
B ng 5.5 . Thông số thiết lập cho phân tích Fluent trong trư ng hợp áp suất phun nhiên liệu bằng 150 Bar.
300 Bar Main Left Right Fuel Addition Atmospheric
pressure
Area 3.33E-05 3.8E-06 3.8E-06 7E-08 7.9E-07
101325
Density 1.225 1.225 1.225 849.6 1.225
Pressure UDF UDF UDF 30397500 UDF
Mass Flow
Rate 0.056248 0.006421 0.006421 0.011249 0.001335
Length 0.000228 7.7E-05 7.7E-05 1.05E-05 3.51E-05
Mass Flux 1689.625 1689.625 1689.625 160703.8 1689.625
Sau khi đã thiết lập được quy trình phân tích quá trình phun nhiên liệu trong buồng cháy xoáy lốc, ta tiến hành phân tích các cấu trúc khác nhau nhằm lựa chọn ra cấu trúc tối ưu sau khi thêm các cửa dẫn khí phụ.
5.3 X lỦăvƠăđánhăgiáăk t qu đ tăđ c t mô ph ng.
5.3.1. V n t c và qu đ o chuyểnăđ ng xoáy l c trong bu ng cháy. B ng 5.5. So sánh vận tốc và quỹđạo chuyển động của không khí.
Cấu
trúc V N T C VÀ QU ĐẠO CHUY NăĐ NG XOÁY L C TRONG BU NG CHÁY (T I
TH I ĐI M 10OBDCT, tương đương 10.119 ms)
[1] [2]
[3] [4]
So sánh giữa các cấu trúc cho ta thấy cấu trúc số 2 và số 5 có biên dạng xoáy lốc tốt nhất và phân bố đều khấp buồng cháy, các cấu trúc 1 và 4 có vận tốc chuyển động của không khí ĺn nhưng lại phân bố cục bộ một số khu vực nhất định trong buồng cháy. Và các cấu trúc còn lại dòng khi xoáy lốc vào bị ảnh hư ng khá ĺn về độ rối gây khó khăn cho việc phân bố đồng nhất nhiên liệu. Điều này chứng tỏ cấu trúc buồng cháy có bổ xung ống dẫn khí thẳng góc (90o) chiếm ưu thế về xoáy lốc hơn so v́i các cấu trúc cửa lệch. Do cần tận dụng xoáy lốc để phân bố không khí đi khắp buồng cháy nên ta lựa chọn cấu trúc số 5 do có sựổn định về giá trị vận tốc hơn so v́i cấu trúc số 2. kết cấu 5, dòng khí xoáy lốc đi trực tiếp vào tâm buồng cháy và tương tác trực diện v́i nhiên liệu phun ra từ vòi phun làm tách dần các hạt nhiên liệu trên bề mặt tia phun và vận chuyển các phân tử nhiên liệu này đi khắp buồng cháy nh xoáy lốc v́i quỹđạo rộng. Phần đỉnh của buồng cháy, tại khu vực đặt ống phun nhiên liệu là nơi mặt cắt chuyển tiếp, biên dạng thay đổi nhiều và hẹp, do đó phân bố vận tốc tại khu vực này có giá trị khá cao nhưng tác dụng phân rã nhiên liệu nhỏ làm mất mát động năng của dòng khí xoáy lốc, hứng phát triển là thiết kế van kim phun sát thành buồng cháy để hạn chế hiện tượng này.
Hình 5. 7. Bố trí kim phun trong buồng cháy
Do việc mô phỏng chỉ tập trung vào khả năng xoáy lốc và ảnh hư ng của nó lên nhiên liệu phun vào buồng cháy nên luận văn không xét đến ảnh hư ng của phần thể tích mà bugi xông chiếm chổ trong buồng cháy. Nhưng theo các nghiên cứu trức đây cho thấy xoáy lốc trong buồng cháy chỉ bị ảnh hư ng trong giai đoạn đầu của quá trình nén, đến giai đoạn phun nhiên liệu thì quỹ đạo chuyển động của
Kim
Buồng Buồng
Kim
Van Van
5.3.2. V n t c và qu đ o chuyểnăđ ng c a nhiên li u trong bu ng cháy B ng 5.5. So sánh vận tốc và quỹđạo chuyển động của các hạt nhiên liệu.
Cấu trúc
V N T C VÀ QU ĐẠO CHUY NăĐ NG C A CÁC HẠT NHIÊN LI U (TẠI TH IăĐI M 10OBDCT, tương đương 9.94 ms)
[1] [2]
[3] [4]
Cấu
trúc V N T C VÀ QU ĐẠO CHUY NăĐ NG C A CÁC HẠT NHIÊN LI U (TẠI TH IăĐI M 0O BDCT, tương đương 10.792 ms)
[1] [2]
[3] [4]
[5] [6]
th i điểm 100 BTDC cấu trúc số 5 và 6 có sự phân bố về vị trí cũng như giá trị vận tốc đồng đều nhất so v́i các cấu trúc còn lại. Sau đây ta sẽ phân tích tại th i
điểm khi pit-tông di chuyển đến điểm chết trên, tức 0otrức điểm chết trên. Kết quả mô phỏng trong bảng 5.5 cho thấy cấu trúc số 5 tiếp tục thể hiện sựổn định về vị trí lẫn giá trị vận tốc, điều này rất quan trọng vì liên quan đến giá trị mass fraction, ảnh hư ng trực tiếp đến hiệu suất động cơ khi hỗn hợp nhiên liệu, khí dịch chuyển xuống buồng cháy chính.
5.3.3. T s mass fraction gi a không khí và nhiên li u trong bu ng cháy B ng 5.6. So sánh phổ mass fraction giữa các cấu trúc (áp suất phun 300bar)
Cấu trúc
SO SÁNH PH MASS FRACTION NHIÊN LI U GI A CÁC C U TRÚC (t i thời điểm 5o BTDC, tương đương 10.̀66 ms)
[1] [2]
[5] [6]
Biểu đồ phổ mass fraction của nhiên liệu thể hiện nồng độ thành phần nhiên liệu trong một vùng thể tích nhất định. Phân tích phổ mass fraction từ kết quả mô phỏng hình 5.6 tại th i điểm 5o BTDC cho thấy cấu trúc số 5 và 6 có sự phân bố gần như đồng đều nhất. Về mặt giá trị mass fraction thì cấu trúc số 6 tỏ ra ưu thế hơn do miền diện tích mà tại đó, tỉ số mass fraction cao, chiếm khá nhiều, hơn 50% diện tích mặt cắt ngang, tương ứng là 50% thể tích buồng cháy. Kết quả này đạt được là do việc cải tiến thêm 4 đư ng ống dẫn khí phụgiúp tăng độ rối tại vùng mà tia phun nhiên liệu đi qua làm phân rã tia phun nhiên liệu nhanh hơn và xoáy lốc từ cửa buồng cháy chính vận chuyển các phần tử nhiên liệu đi rộng hơn.
(b) Áp suất phun 180bar
c. Áp suất phun 150 bar
Hình 5.8. Đồ thị Mass Fraction theo góc quay và áp suất phun
(a. Áp suất phun 300bar; b. Áp suất phun 180bar; c. Áp suất phun 300bar)
Tuy nhiên, do tỉ số mass fraction của nhiên liệu trong buồng cháy cũng thay đổi nhiều theo các th i điểm khảo sát và áp suất phun nhiên liệu nên việc phân tích
điều kiện phun nhiên liệu cụ thể. Qua đồ thị 5.8, ta thấy rằng tỉ số mass fraction của cấu trúc số 5 chiếm ưu thế theo th i gian (tương ứng góc quay trục khuỷu) và theo áp suất phun nhiên liệu hơn các cấu trúc còn lại. Khi góc quay tiến đến giá trị điểm chết trên của pit-tông, tỉ số mass fraction của hỗn hợp nhiên liệu trong không khí trong các điều kiện phun nhiên liệu khác nhau vẫn cao nhất so v́i các cấu trúc còn lại, điều này dự báo rằng hiệu suất quá trình cháy của buồng cháy này sẽđược nâng cao hơn so v́i các kết cấu còn lại. Kết quả tử mô phỏng cho thấy việc cải tiến buồng cháy theo cấu trúc 5 giúp hỗn hợp nhiên liệu và không khí hòa trộn đồng nhất hơn trong buồng cháy, có tiềm năng cải thiện quá trình cháy của động cơ.
5.3.4. Nhi tăđ không khí trong bu ng cháy.
B ng 5.7. So sánh nhiệt độ không khí trong buồng cháy
Cấu trúc
SO SÁNH NHI T Đ KHÔNG KHÍ TRONG BU NG CHÁY(T I TH I ĐI M 5O BDCT,
tương đương 10.4167 ms)
[3] [4]
[5] [6]
Phổ nhiệt độ buồng cháy thể hiện vùng phân bố nhiệt độ trong buồng cháy, sự phân bố nhiệt độ trong các kết cấu khác nhau thì khác nhau phụ thuộc vào khả năng truyền nhiệt của lưu chất trong buồng cháy và nhiệt sinh ra do ma sát va chạm giữa các phân từ khí, nhiên liệu. So sánh phổ nhiệt độ giữa các cấu trúc, ta thấy rằng phân bố nhiệt độ của cấu trúc số 4 và 5 là đều, tuy nhiên, giá trị nhiệt độ của hỗn hợp không khí, nhiên liệu trong buồng cháy cấu trúc số 4 là không cao, khu vực có nhiệt độ đạt đến ngưỡng tự cháy của nhiên liệu hẹp chủ yếu tập trung các vùng biên của thành buồng cháy, nhưng tại đây mật độ nhiên liệu lại thấp không thể nảy sinh quá trình tự cháy. Điều này có thể dẫn đến chất lượng của hỗn hợp cháy không
0 5 10 15 20 25 30 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 Angle (Degree) T e m p e ra tu re ( C ) S 00 S 01 S 02 S 03 S 04 S 05 S 06
Hình 5.9. Biểu đồ liên hệ giửa nhiệt độ v́i góc quay trục khuỷu trức điểm chết trên giữa các kết cấu
Phân tích đồ thị so sánh nhiệt độ giữa các cấu trúc, ta thấy rằng các cấu trúc số 4, 5 và 6 vượt trội hơn hẳn các kết cấu khác về mặt phân bố nhiệt độ trong buồng cháy, kết quả này là do việc kết hợp 4 đư ng ống dẫn khí phụ giúp tận dụng nhiệt tích tụ các vùng xa cửa buồng cháy phụ, vừa hạn chế sự truyền nhiệt ra ngoài môi trư ng thông qua vỏ kim loại của động cơ, vừa tận dụng nhiệt này để phân rã tia phun nhiên liệu và tạo điều kiện cho quá trình cháy. Nhiệt độ cực đại của buồng cháy tại điểm bắt đầu phun đạt trên 1000oK, và khi piston đến điểm chết trên thì đạt 1500oK điều này đảm cho quá việc tạo điều kiện cháy cho toàn bộ lượng nhiên liệu biodiesel được phun vào buồng cháy. cấu trúc số 5, so sánh về nhiệt trong buồng cháy theo th i gian thì có phần kém hơn kết cấu số6 nhưng qua phân tích phổ nhiệt độ trên bảng 5.7 ta thấy rằng cấu trúc 5 có sự phân bồđồng đều về nhiệt hơn hẳn cấu trúc số 6, và điều này là rất cần thiết để hoàn thiện quá trình phân rã và hòa trộn động nhất trong toàn bộ buồng cháy. Do đó lựa chọn cấu trúc số 5 là hợp lý.
T
empe
ra
tur
5.3.5.ăĐ xuyên thấu c a tia phun nhiên li u. 8.9 8.95 9 9.05 9.1 9.15 9.2 9.25 9.3 9.35 9.4 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 Time injection (ms) P e n e tr a ti o n ( m m ) S 00 S 01 S 02 S 03 S 04 S 05 S 06
Hình 5.10. Độ xuyên thấu của nhiên liệu sau khi phun (After Start of Injection) Tiến hành bắt điểm bằng phương pháp quét trên phổ (Counter) của mass fraction, xác định vùng ảnh hư ng xa nhất của nhiên liệu, lấy dữ liệu tọa độ và tiến hành tính toán độ dài vec-tơ. Đây chính là giá trịđộ xuyên thấu..
Qua hình 5.10, ta thấy rằng độ xuyên thấu của cấu trúc số 5 và 6 là thấp nhất so v́i các cấu trúc còn lại. Giải thích cho hiện tượng này là do ảnh hư ng của dòng khí xoáy lốc có vận tốc, áp suất và nhiệt độ cao nên nhiên liệu sau khi phun vào lập tức bị ảnh hư ng của dòng khí xoáy lốc và bị phân rã do các lực khí động học và nhiệt động học gây ra làm nhiên liệu nhanh chóng phân bố đều khắp buồng cháy dứi dạng hỗn hợp cháy, do đó độ lan truyền của các hạt nhiên liệu không xa hơn các cấu trúc còn lại. Điều này là có lợi vì đối v́i loại động cơ phun gián tiếp v́i cùng một áp suất phun nhiên liệu thì độ xuyên thấu càng cao, thì khảnăng va chạm và bám vào thành buồng chay càng cao do thể tích buồng cháy xoáy lốc là nhỏ mà nhiên liệu biodiesel thì khối lượng riêng là ĺn hơn so v́i nhiên liệu diesel dẫn đến hiện tượng nhiên liệu đọng lại trên thành buồng cháy xoáy lốc và chảy xuống buồng cháy chính làm ảnh hư ng đến quá trình chaý và công suất của động cơ.
5.3.6. Phân tích k t cấu t iă u.
Từ các kết quả thu được từ mô phỏng ta nhận thấy rằng cấu trúc buồng cháy xoáy lốc TVC số5 đáp ứng được các yêu cầu về nhiệt độ, tỉ số mass fraction, dòng khí xoáy lốc và độ xuyên thấu khi ứng dụng nhiên liệu biodiesel cho động cơ phun gián tiếp. Việc cải tiến buồng cháy TVC bằng cách thêm 4 lỗ dẫn khí phụ v́i góc nghiêng 90o gúp hoàn thiện hóa quá trình hòa trộn và hình thành hỗn hợp cháy trong buồng cháy TVC, buồng cháy cải tiến có quỹđạo xoáy lốc trong buồng cháy rộng hơn, nhiêu liệu được phân bốđồng đều hơn cho phép tăng áp suất phun nhiên liệu cao hơn và có nhiệt độ trong buồng cháy tốt hơn so v́i buông cháy nguyên thủy, điều này cho thấy khảnăng đáp ứng hoàn hảo các yêu cầu cho quá trình cháy và sinh công của động cơ khi sử dụng nhiên liệu thay thế biodiesel. Do đó, ta lựa chọn cấu trúc số 5 là cấu trúc tối ưu.
Ch ngă6
K T LU NăVÀăĐ NGH
6.1. Tómăt tăk tăqu ăđ ătƠi
Sau th i gian nổ lực thực hiện đề tài, đề tài đã hoàn thành đúng tiến độ. Qúa trình thực hiện diễn ra liên tục và logic, các số liệu được thu thập và xử lý đầy đủ chính xác. Nội dung của luận văn đáp ứng đủ các yêu cầu của đề tài. Các kết quả chính thu được tập trung vào các nội dung chính sau:
Thứ nhất, đi vào tiềm hiểu nhu cầu về nguồn động lực phục vụ cho việc cơ gíi hóa nông nghiệp, nông thôn Việt Nam. Nhận thấy rằng, nức ta v́i hai khu vực sản xuất nông nghiệp ĺn là đồng bằng song Hồng và Đồng bằng sông Cửu Long v́i sản lượng gạo mỗi năm lên đến hàng chục triệu tấn (42 triệu tấn-2011) đứng thứ 2 trên thế gíi. Lâm nghiệp đã được chú trọng khai thác và tái tròng rừng, diện tích rừng được trồng khá ĺn (133.575 ha - năm 2010). Ngư nghiệp phát triển mạnh kể cả số lượng tàu thuyền và sản lượng khai thác, tổng công suất tàu cá tăng từ 7.18 triệu HP lên 7.52 triệu HP [1]. Nhìn chung 3 ngành Nông-Lâm-Ngư vẫn đang là các ngành kinh tế chủ chốt của nền kinh tế Việt Nam. Vì vậy, nhu cầu về nguồn động lực cho các hoạt động sản xuất nông thôn Việt Nam là rất ĺn. Các hãng sản xuất động cơ nổi tiếng trên thế gíi như: Kubota, Yanma, Honda,…đã đầu tư sản xuất và phân phối trên toàn quốc. Trong nức, một số công ty về động cơ như SVEAM cũng đang triển khai sản xuất loại động cơ diesel công suất nhỏ (từ 20-50 HP) phục vụ cho sản xuất nông thôn. Để có thể chủ động được nguồn động lực phục vụ cho sản xuất và giảm giá thành sàn phẩm, đẩy nhanh quá trình cơ gíi hòa nông thôn thì việc nghiên cứu và sản xuất loại động cơ này là việc làm cấp thiết hiện nay của nền công nghiệp cơ khí nức nhà.
Thứ hai, nghiên cứu tính cấp thiết và khảnăng ứng dụng nhiên liệu biodiesel trên động cơ đốt trong. Trong th i kỳ kinh tế hội nhâp và phát triển, Việt Nam cũng