CHƯƠNG II: CƠ SỞ Lí THUYẾT
2.1.2. Cỏc khả năng đỏnh giỏ quỏ trỡnh biến đổi năng lượng
Khi phỏt triển động cơ việc tớnh toỏn phỏc thảo đầu tiờn và đỏnh giỏ quỏ trỡnh biến đổi năng lượng thường được thực hiện theo con đường lý thuyết. Khi đú cỏc thụng số cấu trỳc mong muốn được nghiờn cứu như là cỏc điều kiện khung cựng với cỏc giỏ trị kinh nghiệm của cỏc cụng trỡnh nghiờn cứu trước đú. Bằng cỏch đú cú thể xỏc định ảnh hưởng của cỏc thụng số cấu trỳc hoặc cỏc thụng số khỏc đến quỏ trỡnh biến đổi năng lượng mà khụng cần chi phớ thực nghiệm lớn.
Cỏc phương phỏp đó biết hiện nay được Vibe xõy dựng. Mụ hỡnh này dựa trờn cỏc giả thiết một quỏ trỡnh chỏy dạng phản ứng dõy chuyền của nhiờn liệu phun vào và cỏc thụng số trạng thỏi đồng đều khụng gian buồng đốt trong cựng thời gian.
Quỏ trỡnh biến đổi năng lượng được mụ tả theo cụng thức sau:
x – 1 – e -6.908 1 + m v ϕ ϕ
M - Yếu tố dạng mũ (số mũ Vibe)
ϕ - Thời điểm chỏy tức thời ϕv - Thời gian chỏy
Giỏ trị 6,908 trong hàm mũ thỏa món cho cỏc quỏ trỡnh chỏy được giả thiết cú mức chuyển đổi năng lượng ≥ 0,9999. Số mũ m biểu diễn một yếu tố về dạng quỏ trỡnh chỏy đặc trưng được mụ tả trong. Đối với động cơ diesel giỏ trị thụng số này thường lấy trong khoảng 0,1 – 1,0. Cỏc giỏ trị nhỏ được dựng cho cỏc quỏ trỡnh chỏy phỏt triển trực tiếp từ khi bắt đầu quỏ trỡnh và do đú cú tốc độ tăng ỏp suất lớn. Cỏc phương phỏp lý thuyết khỏc sử dụng định luật phun hoặc tớnh toỏn trờn cơ sở cỏc mụ hỡnh chảy rối đa chiều cho quỏ trỡnh chảy.Cỏc mụ hỡnh này yờu cầu chi phớ tớnh toỏn rất lớn và đũi hỏi cú rất nhiều kinh nghiệm. Việc đỏnh giỏ quỏ trỡnh biển đổi năng lượng trờn cỏc động cơ nghiờn cứu được thực hiện chớnh xỏc nhất nhờ phõn tớch quỏ trỡnh ỏp suất đo được trong xilanh. Trờn cơ sở đồ thị chỉ thị của xilanh và sử dụng mụ hỡnh để tớnh toỏn biến đổi năng lượng tức thời phụ thuộc vào gúc quay trục khuỷu (hàm chỏy), tớch phõn của nú cũng như quỏ trỡnh trao đổi năng lượng giữa thành buồng đốt và khụng gian bờn trong xilanh
Ngoài quỏ trỡnh chỏy và quỏ trỡnh ỏp suất trong xilanh cú thể sử dụng cỏc thụng số đỏnh giỏ khỏc, thớ dụ hiệu suất chỉ thị, ỏp suất chỉ thị trung bỡnh và chi phớ nhiờn liệu riờng chỉ thị hoặc cỏc thụng số hữu ớch như hiệu suất hữu ớch, chi phớ nhiờn liệu riờng hữu ớch và ỏp suất hữu ớch trung bỡnh.
Việc sử dụng cỏc thụng số trạng thỏi của nhiờn liệu khi nạp mới và dũng khớ thải, như ỏp suất, nhiệt độ và lưu khối cho khả năng tỡm cõn bằng giữa năng lượng đưa vào động cơ từ nhiờn liệu với phần năng lượng hao tổn và năng lượng sử dụng cũng như xỏc định cõn bằng nhiệt và cõn bằng cụng suất.
Cỏc kết quả xỏc định bằng cỏc mụ hỡnh đó nờu trờn cho phộp đỏnh giỏ rất cao hiệu quả quỏ trỡnh biến đổi năng lượng. Do chỳng yờu cầu chi phớ tớnh toỏn và đo lường quỏ lớn đặc biệt là việc đo cỏc thụng số chỉ thị yờu cầu cỏc
cảm biến ỏp điện cú độ nhảy rất cao nờn phương phỏp này khụng thớch hợp cho việc giỏm sỏt hoạt động của động cơ dưới cỏc điều kiện làm việc thực tế tại thời điểm hiện tại. Cú thể ứng dụng để đo kiểm tra định kỳ trong khuụn khổ cụng tỏc chẩn đoỏn định kỳ.
Từ cỏc lý do việc nghiờn cứu thực nghiệm dũng khớ thải theo ý nghĩa chẩn đoỏn quỏ trỡnh biến đổi năng lượng trở nờn rất đỏng quan tõm. Điều này yờu cầu xỏc định cỏc thụng số hàm chứa thụng tin (cỏc thụng số chẩn đoỏn) từ dũng khớ thải, vớ dụ nhiệt độ khớ thải sau xilanh cỏc thụng số xỏc định từ nhiệt độ động lực học của dũng khớ thải hoặc phỏt thải NOx, hạt rắn…mặt khỏc cần xỏc định cỏc ảnh hưởng đến việc biờn đổi năng lượng do thay đổi điểm làm việc và cả ảnh hưởng nhiễu xỏc định từ trạng thỏi kỹ thuật của động cơ.
Cỏc thụng số chẩn đoỏn thiệt lập từ dũng khớ thải được đỏnh giỏ so sỏnh với cỏc kết quả cú được trờn cơ sở quỏ trỡnh ỏp suất trong xilanh về quỏ trỡnh biến đổi năng lượng.
2.1.3.Tỏc động qua lại giữa quỏ trỡnh biến đổi năng lượng và năng lượng khớ thải
Tớnh chất hàm chứa thụng tin của dũng khớ thải
Đõy là kết quả trực tiếp của quỏ trỡnh biến đổi năng lượng nờn dũng khớ thải cần được đặc biệt chỳ ý theo hai khớa cạnh tương tỏc lẫn nhau sau đõy:
Năng lượng hàm chưa trong khớ thải là một phần của năng lượng đưa vào động cơ mà khụng được biến đổi thành năng lượng cơ học, do đú phần năng lượng này đối với động cơ khụng tăng ỏp sẽ là năng lượng hao tổn trong cần bằng năng lượng của động cơ. Ngược lại đối với động cơ tăng ỏp bằng turbin khớ thải thỡ năng lượng hàm chứa trong khớ thải lại đúng vai trũ quyết định cho tớnh kinh tế của cả động cơ.
Khớa cạnh thứ 2 là thành phần hoỏ học của dũng khớ thải, từ cỏc thành phần của khớ thải cú thể thiết lập cỏc thụng tin về chất lượng của quỏ trỡnh
chỏy. Để xỏc định cỏc thành phần khớ thải cú thể kể đến hàng loạt cỏc phương phỏp , tuỳ theo theo cỏc điều kiện xỏc định mà mỗi phương phỏp sẽ cho kết quả đủ chớnh xỏc. Tuy nhiờn tất cả cỏc phương phỏp này đều cú chi phớ thớ nghiệm và thiết bị quỏ lớn nờn đến thời điểm hiện tại vẫn chưa được ứng dụng để đo liờn tục thành phần khớ thải trong khuụn khổ một thiết bị giỏm sỏt hoạt động của động cơ diesel.
Nghiờn cứu năng lượng dũng khớ thải dựa trờn việc xỏc định nhiệt độ khớ thải sau xilanh, cũng như trước và sau turbin tăng ỏp và một phần xỏc định cả ỏp suất khớ thải. Nhiệt lượng khớ thải cũng như Entalpi của khớ thải được xỏc định theo cõn bằng lăng lượng của động cơ. Phương phỏp này cú lợi thế hơn phương phỏp xỏc định thành phần khớ thải ở chỗ nú phự hợp với việc giỏm sỏt liờn tục hoạt động của động của động cơ và cho phộp đỏnh giỏ từng xilanh riờng biệt và đỏnh giỏ chung cả động cơ.
Ảnh hưởng của thành phần hoỏ học và năng lượng hàm chứa trong dũng khớ thải.
Quỏ trỡnh tạo thành hỗn hợp và quỏ trỡnh chỏy được thiết lập một cỏch thương lượng giữa tiờu chớ: cụng suất hưu ớch cao, chi phớ nhiờn liệu nhỏ và thõn thiện vơớ mụi trường .
Đối với cỏc động cơ diesel hiện đại tăng ỏp băng turbin khớ thải cú một quan hệ rất chặt chẽ giữa nguyờn lớ hoạt động với nhiệt độ khớ thải phụ thuộc vào tần số quay của động cơ. Theo đú đối với động cơ diesel 4 kỳ tốc độ quay trung bỡnh với cụng suất trong vựng 100-1200kw cú giỏ trị nhiệt độ khớ thải cực đại (đầy tải) trung bỡnh là 4500 C.
Khi đốt chỏy nhiờn liệu diesel và dầu nặng, ngoài cỏc sản phẩm chỏy chớnh CO2 và H2O, đối với động cơ diesel cần đặc biệt chỳ ý đến lượng phỏt thải NOx, chiếm khoảng 80% lượng thải và lượng phỏt thải hạt rắn gồm chủ yếu là muội than chiếm khoảng 5,5%. Cỏc thành phần cũn lại như Andehyt (RCHO) chiếm 5,3%, CO chiếm 2,3% và CH chiếm ≤ 1%. Khi sử dụng dầu
nặng do cú hàm lượng lưu huỳnh lớn (3-5%) nờn phỏt thải SO2 chiếm khoảng 6,1%.
Mọi sự thay đổi về mức năng lượng và thành phần của khớ thải do nguyờn lớ làm việc, do kết cấu hoặc do điểm tải trọng của một động cơ đều là kết quả ảnh hưởng của tất cả cỏc yếu tố dẫn đến làm sai lệch quỏ trỡnh tạo thành hỗn hợp và quỏ trỡnh chỏy. Cỏc sai lệch hoặc ảnh hưởng nhiễu cú thể xuất hiện chỉ cú tỏc động giỏn tiếp đến dũng khớ thải thụng qua quỏ trỡnh tạo thành hỗn hợp và quỏ trỡnh chỏy.
Trước hết là những thay đổi tạo bởi điểm làm việc tức thời của động cơ. Khi đú sẽ cú hàng loạt cỏc thụng số trong hệ thống phun nhiờn liệu bị thay đổi, thớ dụ thời điểm bắt đầu cung cấp và bắt đầu phun, lượng phun và thời gian phun, cỏc thụng số ảnh hưởng đến quỏ trỡnh tạo thành hỗn hợp và quỏ trỡnh chỏy do đú làm thay đổi thời gian hóm chỏy, thời điểm bắt đầu bốc chỏy và vận tốc chỏy, diễn biến quỏ trỡnh chỏy và ỏp suất chỏy cực đại, mức nhiệt độ, lương phỏt thải độc hại và cỏc thụng số khỏc.
Tớnh chất của nhiờn liệu sử dụng như độ nhớt, nhiệt trị, khả năng hoỏ cốc, tinh tự chỏy, hàm lương lưu huỳnh và chất lựơng dầu bụi trơn cần đươc chỳ ý khi đỏnh giỏ tiềm năng năng lượng và hàm lượng cỏc chất thải trong dũng khớ thải.
Cỏc yếu tố tỏc động đến năng lượng hàm chứa trong khớ thải và đến lượng phỏt thải cú thể cũng hỡnh thành bởi trang thỏi kĩ thuật của cỏc chi tiết cấu trỳc buồng đốt và bởi hệ thống phun . Mũn, góy hoặc bú cứng vũng găng piston, hao mũn mạnh rónh vũng găng, khụng kớn giữa vũng găng và mặt gương xilanh… là những khả năng gõy ảnh hưởng khụng mong muốn đến dũng khớ thải. Nhiễu trong hệ thống phun dẫn đến làm thay đổi quỏ trỡnh tạo thành hỗn hợp đốt và quỏ trỡnh chỏy, thớ dụ phun nhỏ giọt, treo kim phun, cốc hoỏ đầu kim phun, sai lệch ỏp suất mở vũi phun, sai lệch thời điểm cung cấp
hoặc van ỏp suất khụng kớn dẫn đến làm thay đổi nhiệt độ và thành phần hoỏ học của khớ thải.
Nhiễu trong quỏ trỡnh thay đổi khớ tại xupỏp nạp và xupap xả quỏ ẩm hoặc bi tắc bỡnh lọc khớ hoặc cung cấp khụng đủ khớ mới nạp trước xylanh cú thể dẫn đến chỏy khụng hoàn toàn hoặc chỏy trễ làm thay đổi nhiệt độ và thành phần hoỏ học của khớ thải.
Từ một số vớ dụ cú thể nhận ra rằng, dũng khớ thải bị ảnh hưởng bởi rất nhiều khả năng đến tiềm năng năng lượng và thành phần hoỏ học của nú. Tớnh chất năng lượng và thành phần hoỏ học của khớ thải phụ thuộc mạnh vào tải trọng.