5. Phương pháp nghiên cứu
4.1.1 Xác định các thông số của quá trình cháy
Để đánh giá chất lượng quá trình cháy của động cơ thì tốc độ tỏa nhiệt và tỷ lệ phần trăm hỗn hợp đã cháy theo góc quay trục khuỷu là tham số không thể thiếu để đánh giá sự hòa trộn, khả năng bắt cháy và hiệu quả quá trình cháy hỗn hợp. Tốc độ tỏa nhiệt là lượng nhiệt tỏa ra ở mỗi góc quay trục khuỷu, khi chuẩn hóa giá trị này sẽ được tỷ lệ phần trăm hỗn hợp đã cháy có giá trị nằm trong dải từ 0 đến 1, trong đó 0 tương ứng quá trình cháy chưa bắt đầu và 1 tương ứng kết thúc quá trình cháy. Hình 4.1 a,b,c cho thấy 3 thông số được xác định từ áp suất xylanh (a) đến khi chuẩn hóa (c), trong đó thông số tốc độ tỏa nhiệt (b) được xác định bằng cách đảo mô hình nhiệt động học.
Khi sử dụng biện pháp mô hình nhiệt động học đảo, mô hình cháy được giả sử là mô hình cháy 1 vùng. Với mô hình này, cả buồng cháy được coi là một khối trong đó cả thành phần cháy và chưa cháy được trộn lẫn với nhau có nhiệt độ và áp suất là đồng nhất trong cả vùng. Trong các phần tiếp theo diễn giải mô hình nhiệt động đảo, trong đó trường hợp thứ nhất nhiệt dung riêng của môi chất được giả sử là hằng số, trường hợp thứ hai là biến thiên.
63
Hình 4.1. Các thông số quá trình cháy được xác định từ áp suất xylanh
4.1.2. Trƣờng hợp nhiệt dung riêng không đổi
Trong trường hợp này toàn bộ thể tích buồng cháy được giả thiết là hệ thống kín, không có tổn thất khí qua khe hẹp, hình 4.2 mô phỏng hệ thống này. Với giả thiết như trên, mối quan hệ nhiệt động học sẽ là:
. . ( cyl ) CV CV d m u Q W dt (4.1)
64
Hình 4.2. Hệ thống kín sử dụng trong mô hình nhiệt động học đảo
Trong đó mcyl là tổng khối lượng môi chất trong xy lanh bao gồm không khí, nhiên liệu và khí thải, u là nội năng của hệ thống, Qcv là nhiệt năng và Wcv là công sinh ra. Trong đó công sinh ra được xác định dựa vào công thức:
. cyl CV cyl dV W p dt (4.2)
Trong đó pcyl là áp suất bên trong xy lanh, Vcyl là thể tích xylanh. Thể tích xylanh được xác định: 1 2 2 2 ( 1) 1 cos sin 2 c cyl c c c V V V r r R R (4.3)
Trong đó Vc là thể tích buồng cháy, rc là tỷ số nén và R là tỷ số giữa chiều dài thanh truyền và bán kính khuỷu.
Phần nhiệt năng được chia ra gồm hai thành phần là nhiệt sinh ra do phản ứng cháy của nhiên liệu Qchemical và nhiệt truyền cho thành xy lanh QHT. Thay vào công thức (4.1) ta được: . . ( cyl ) cyl chemical cyl HT d m u dV Q Q p dt dt (4.4)
Nội năng có thể xác định từ nhiệt dung riêng theo công thức:
v
du c dT (4.5)
Trong đó T là nhiệt độ và cv là nhiệt dung riêng đẳng tích của khí cháy. Vế bên trái của công thức (4.4) có thể đổi thành
65 ( cyl ) cyl cyl v d m u dT m c dt dt (4.6)
Áp dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng
cyl cyl cyl cyl
p V m RT (4.7)
Kết hợp giả thiết khối lượng, khí và nhiệt dung riêng không đổi theo thời gian ta có:
1
cyl cyl cyl
cyl cyl
dT dV dp
p V
dt m R dt dt (4.8)
Hằng số khí lý tưởng được xác định từ công thức (4.9) trong đó cp là nhiệt dung riêng đẳng áp:
R = cp – cv (4.9) Kết hợp các công thức (2.5), (2.9), (2.10) ta có:
.
cyl cyl cyl
v
cyl HT chemical cyl
p v
dV dp dV
c
p V Q Q p
c c dt dt dt (4.10)
Gọi tỷ số giữa nhiệt dung riêng đẳng áp và nhiệt dung riêng đẳng tích là ta có: . . 1 1 1 cyl cyl
chemical cyl cyl heat
dp dV
Q V p Q
dt dt (4.11)
đồng thời chuyển từ miền thời gian sang miền góc quay trục khuỷu ta được: 1 1 1 cyl cyl chemical heat cyl cyl dp dV Q Q V p d d d d (4.12)
Công thức (4.12) được dùng để xác định lượng nhiệt tỏa ra theo góc quay trục khuỷu khi mà đã biết thể tích và áp suất xy lanh và được gọi là mô hình nhiệt động học đảo. Tốc độ tỏa nhiệt được xác định bằng cách tích phân lượng nhiệt tỏa ra theo góc quay trục khuỷu.
66
4.1.3. Trƣờng hợp nhiệt dung riêng biến thiên
Các nghiên cứu cho thấy nhiệt dung riêng của động cơ xăng không phải là hằng số mà phụ thuộc vào nhiệt độ cháy, hệ số dư lượng không khí và tỷ lệ hỗn hợp đã cháy. Hình 4.3 biểu diễn sự biến thiên tỷ nhiệt của hỗn hợp bao gồm không khí, nhiên liệu và khí cháy theo nhiệt độ cháy với các tỷ lệ thành phần hòa khí khác nhau và tỷ lệ hỗn hợp đã cháy khác nhau. Trong đó là giá trị đảo ngược của hệ số dư lượng không khí lambda và xb là phần trăm hỗn hợp đã cháy.
Hình 4.3. Biến thiên tỷ nhiệt = cp / cv theo nhiệt độ cháy (K), thành phần hòa khí và phần trăm hỗn hợp đã cháy xb
Từ kết quả trên cho thấy tỷ nhiệt có thể thay đổi lên tới 10%, do đó để đảm bảo kết quả chính xác thì tỷ nhiệt cần phải thay đổi theo điều kiện làm việc của động cơ. Hình 4.4 cho thấy kết quả tỷ lệ cháy theo góc quay trục khuỷu cho hai trường hợp tỷ nhiệt không đổi và biến thiên, kết quả cho thấy khi giữ tỷ nhiệt là hằng số thì độ chính xác của kết quả không cao, trong hình vẽ cũng cho thấy sự
67 biến thiên của tỷ nhiệt theo góc quay trục khuỷu trong trường hợp tỷ nhiệt thay đổi. Biên dạng của đường tỷ nhiệt là do sự kết hợp của quá trình tăng nhiệt độ từ nén tới cháy và thành phần hỗn hợp thay đổi trong suốt quá trình cháy. Tại vùng 300 góc quay trục khuỷu, đường tỷ nhiệt đi xuống trước khi quá trình cháy kết thúc là do nhiệt độ cháy giảm trong thời kỳ giãn nở.
Hình 4.4. So sánh tỷ lệ với trường hợp tỷ nhiệt không đổi và tỷ nhiệt biến thiên
Từ công thức (4.4) ta được .
.
cyl cyl
chemical cyl v HT cyl
dT dV
Q m c Q p
dt dt (4.13)
68 . . cyl cyl chemical HT cyl v cyl dT dV Q Q m c p d d d d (4.14)
Để xác định tốc độ tỏa nhiệt thì cần phải xác định khối lượng hỗn hợp bên trong xy lanh, nhiệt độ và nhiệt dung riêng và thể tích xy lanh theo góc quay trục khuỷu. Khối lượng hỗn hợp bên trong xy lanh được xác định từ khối lượng không khí đo từ cảm biển lưu lượng, tỷ số không khí nhiên liệu (AFR) từ cảm biến lambda và tốc độ động cơ (N). Trong đó khối lượng nhiên liệu được xác định: . . . air fuel m m AFR (4.15)
Và khối lượng hỗn hợp bên trong xy lanh
. . air 120( ) 4. fuel cyl m m m N (4.16)
Nhiệt độ trong xy lanh được xác định thông qua phương trình trạng thái khí lý tưởng trong suốt kỳ làm việc
cyl cyl cyl p V T m R (4.17)
Trong đó Pcyl là áp suất xy lanh đo trong quá trình thực nghiệm theo góc quay trục khuỷu, Vcyl là thể tích xy lanh theo góc quay trục khuỷu, do giả định là hệ thống kín không có hiện tượng lọt khí do đó mcyl được giữ là hằng số.
Xác định giá trị dV d như sau: 2 ( ) ( ) 4 c D V V S (4.18)
Trong đó: Vc - Thể tích buồng cháy của động cơ (m3). D – Đường kính xy lanh (m).
69
S( ) - Giá trị chuyển vị của piston, tính từ thời điểm piston ở vị trí điểm chết trên (m).
Giá trị chuyển vị của piston tính từ diểm chết trên được xác định theo quy luật động học của cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền theo công thức:
2 2
1
( ) [(1 cos ) (1 1 sin )]
S R
(4.19) Trong đó: R - Bán kính quay của trục khuỷu (m).
R
L - Tỷ số kết cấu, là tỷ số giữa bán kính quay R của trục khuỷu và chiều dài thanh truyền L.
Do 2
S
R , trong đó S là hành trình của piston, nên sau khi thay phương trình (4.19) vào phương trình (4.18), ta có:
2 2 2 1 ( ) [(1 cos ) (1 1 sin )] 4 2 c D S V V (4.20) Hay: 2 2 1 ( ) [(1 cos ) (1 1 sin )] 2 h c V V V (4.21)
Trong đó Vh là thể tích công tác của xy lanh (m3).
Đạo hàm phương trình (4.21) theo góc quay của trục khuỷu, ta có biểu thức vi phân biểu diễn tốc độ biến thiên của thể tích xy lanh động cơ theo góc quay của trục khuỷu.
2 2
[sin sin cos ]
2 1 sin
h
dV V
d (4.22)
Hằng số chất khí phụ thuộc vào tỷ lệ không khí-nhiên liệu và khí thải trong xy lanh tại thời điểm tính
Rcyl R Xair air RfuelX fuel RexhaustXexhaust (4.23)
Trong suốt quá trình cháy, tỷ lệ các thành phần Xair, Xfuel và Xexhaust thay đổi khi mà nhiên liệu và không khí bị đốt cháy thành khí thải và được tính theo bước
70 10 góc quay trục khuỷu. Các tỷ lệ này xác định từ các giá trị khối lượng ban đầu và tỷ lệ phần trăm cháy của hỗn hợp mà được tính từ bước tính của góc quay trước. Hằng số chất khí của mỗi thành phần được xác định từ công thức nhiệt dung riêng. Các giá trị nhiệt dung riêng đẳng tích và đẳng áp của mỗi thành phần có thể thay đổi theo nhiệt độ, tuy nhiên hiệu của hai giá trị này có thể coi là hằng số, do đó hằng số chất khí của mỗi thành phần không phụ thuộc vào nhiệt độ cháy. Từ các lập luận trên, hằng số chất khí của mỗi thành phần sẽ được xác định bằng phương pháp tra bảng đặc tính nhiệt động học của mỗi thành phần và theo công thức: 2 3 4 1 2 3 4 5 i i i i i i c a a T a T a T a T R (4.24)
Do nhiệt độ không ảnh hưởng đến giá trị hằng số chất khí nên T trong công thức (4.24) là nhiệt độ khí nạp.
Hai ẩn số còn lại để xác định tỷ lệ cháy là giá trị tỷ nhiệt và tổn thất nhiệt cho thành vách. Khi đã xác định được hằng số chất khí bên trong xy lanh thì có thể xác định được nhiệt độ bên trong xy lanh qua công thức (4.17). Giá trị nhiệt độ này được sử dụng để xác định nhiệt dung riêng của từng thành phần bằng phương pháp tra bảng theo công thức (4.24). Tổng nhiệt dung riêng trong xy lanh được xác định theo công thức (4.25)
cvcyl c Xvair air cvfuel Xfuel cvexhaustXexhaust (4.25)
Nhiệt tổn thất cho thành vách của xy lanh được xác định theo phương pháp truyền nhiệt đối lưu
( ) HT c W dQ Ah T T d (4.26)
Trong đó A là diện tích bề mặt xy lanh, T là nhiệt độ trung bình trong xy lanh, Tw là nhiệt độ trung bình của thành vách, hc là hệ số truyền nhiệt đối lưu. Nhiệt độ trung bình của khí cháy được xác định qua công thức (4.17), nhiệt độ
71 thành vách được xác định bằng cách kết hợp giữa nhiệt độ làm mát và nhiệt độ cháy trong xy lanh, hệ số truyền nhiệt đối lưu được xác định qua công thức hiệu chỉnh Woschni.
Tổng lượng nhiệt đã cháy theo góc quay trục khuỷu được xác định bằng cách tích phân lượng nhiệt tỏa ra từ công thức (4.14), và sau khi chuẩn hoá ta sẽ xác định được tỷ lệ hỗn hợp đã cháy xb
.
b chemical
x Q d (4.27)
4.2. Đánh giá chất lƣợng quá trình cháy của động cơ phun xăng xe máy sử dụng nhiên liệu giàu hydro
Tốc độ tỏa nhiệt được xác định từ áp suất xy lanh dựa trên định luật nhiệt động thứ nhất được giới thiệu ở hình 4.4, kết quả cho thấy tại cùng tốc độ 5300 vg/ph ở trường hợp có phun hydro lambda đạt được cao hơn đồng thời tốc độ tỏa nhiệt cũng cao hơn trường hợp không phun hydro với lambda thấp hơn, kết quả này là do hydro có tốc độ cháy nhanh và giới hạn cháy nghèo lớn, nên giúp cho tốc độ cháy của động cơ sử dụng hỗn hợp giàu hydro nhanh hơn ngay cả trường hợp lambda cao hơn.
Hình 4.4. Tốc độ tỏa nhiệt tại hai trường hợp không phun (W/O) và phun (W) hydro tại tốc độ 5000 vg/ph
72 Để đánh giá tổng quan hơn về quá trình cháy của hai trường hợp phun và không phun hydro thì biến thiên của góc cháy trễ tương ứng góc quay trục khuỷu tính từ thời điểm đánh lửa đến khi hỗn hợp cháy được 10% (10% MFB) và góc cháy chính tương ứng hỗn hợp cháy được 90% (90% MFB) theo lambda được xác định và giới thiệu ở hình 4.5 và hình 4.6. Kết quả cho thấy trong cả hai trường hợp tốc độ 4300 và 5000 vg/ph khi lambda tăng lên, góc cháy trễ và góc cháy chính đều tăng, kết quả này là do khi lambda tăng hỗn hợp nhạt đi dẫn tới thời gian cháy kéo dài, tốc độ cháy nhanh nhất nằm trong khoảng từ = 0.85- 0.95. So sánh hai trường hợp nguyên bản và sử dụng hỗn hợp giàu hydro cho thấy động cơ sử dụng hỗn hợp giàu hydro có góc cháy trễ và cháy chính nhỏ hơn hay thời gian cháy ngắn hơn nhờ đó nâng cao được hiệu suất nhiệt của động cơ.
Hình 4.5. Góc cháy trễ tương ứng 10% hòa khí đã cháy theo lambda tại hai trường hợp phun (W) và không phun hydro (W/O)
73
Hình 4.6. Góc cháy chính tương ứng 90% hòa khí đã cháy theo lambda tại hai trường hợp phun (W) và không phun hydro (W/O)
Kết quả của suất tiêu thụ năng lượng (BSEC) được giới thiệu trong hình 4.7, giá trị này được xác định từ suất tiêu hao nhiên liệu và nhiệt trị thấp của nhiên liệu xăng và hydro, kết quả cho thấy, khi lambda tăng thì BSEC của cả 4 trường hợp đều giảm sau đó tăng lên, giá trị thấp nhất của hai trường hợp không phun hydro nằm trong khoảng lambda 1.25, với trường hợp phun hydro thì lambda 1.5. Do có hydro được phun vào làm giới hạn cháy nghèo tăng lên, lượng nhiên liệu lúc này sẽ ít hơn so với trường hợp không phun hydro nên BSEC sẽ thấp hơn. Tuy nhiên khi đến giới hạn cháy nghèo sẽ dẫn đến hậu quả thời gian cháy kéo dài hoặc có thể mất lửa làm giảm hiệu suất nhiệt của động cơ. Ở trường hợp động cơ sử dụng hỗn hợp giàu hydro, do hydro có giới hạn cháy nghèo lớn nên điểm thấp nhất của BSEC nằm ở vùng lambda cao, từ kết quả này cho thấy giới hạn cháy nghèo cho động cơ sử dụng hỗn hợp giàu hydro nằm trong khoảng lambda 1.5.
74
Hình 4.7. Suất tiêu thụ năng lượng (MJ/kW.h) tại hai trường hợp phun (W) và không phun hydro (W/O)
4.3. Đánh giá phát thải của động cơ phun xăng xe máy sử dụng nhiên liệu giàu hydro liệu giàu hydro
Hình 4.8 cho thấy biến thiên hàm lượng HC theo lambda, nguồn tạo HC chủ yếu từ quá trình cháy không hoàn toàn và từ các khe kẽ trong buồng cháy, kết quả cho thấy hàm lượng HC của động cơ xăng tăng nhanh hơn so với động cơ sử dụng hỗn hợp giàu hydro khi lambda tăng, kết quả này có thể cho thấy nhờ đặc tính cháy sạch và giới hạn cháy nghèo cao của hydro nên động cơ sử dụng hỗn hợp này có quá trình cháy hoàn thiện hơn nhờ đó HC thấp hơn.
75
Hình 4.8. So sánh hàm lượng phát thải HC theo lambda
Hình 4.9 biểu thị kết quả của hàm lượng NOX theo , kết quả cho thấy NOX đạt giá trị cao nhất ở vùng = 1,13 cho 3 trường hợp và lambda = 1,2 ở trường hợp còn lại sau đó giảm dần về hai phía. Kết quả này là do hàm lượng NOX phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ cháy và hàm lượng ôxi dư trong buồng cháy, do đó ở vùng lambda = 1,0 – 1,13 sẽ có nhiệt độ cháy cao tuy nhiên lượng ô xi dư thấp do đó NOX thấp, khi tăng dần lambda nhiệt độ cháy giảm dần tuy nhiên lượng ô xi dư lại tăng kết quả là NOX tăng, điểm đạt lớn nhất là vùng gần với lambda =1,13 về phía hỗn hợp nghèo. Kết quả so sánh cho thấy hàm lượng NOX của động cơ sử dụng hỗn hợp giàu hydro tăng cao hơn so với động cơ chỉ sử dụng xăng, kết quả này là do động cơ sử dụng hỗn hợp giàu hydro có tốc độ cháy và tốc độ tỏa nhiệt lớn dẫn đến nhiệt độ cháy lớn và kết quả là NOX tăng, Tuy nhiên nếu như cho động cơ sử dụng hỗn hợp giàu hydro làm việc ở vùng hỗn hợp nghèo 1.4 đến 1.7 thì NOX sẽ thấp hơn rất nhiều so với động cơ xăng nguyên bản.vì lúc này lượng ô xi thừa nhưng nhiệt độ làm việc của động cơ không cao