Thơng số quá trình mơ phỏng Giá trị Thơng số hình học mơ phỏng (thsect.) 72.00
Tốc độ động cơ (rpm) 2000 vịng/phút
Thời điểm xú páp nạp đĩng (IVC) 134degBTDC _ kỳ nén Thời điểm xú páp xả mở (EVO) 128degATDC_kỳ nén Nhiệt độ thành xy lanh (tcylwl) 4000K
Nhiệt độ đỉnh Piston (thead) 4000K
Nhiệt độ nắp quy lát (tpistn) 4000K
Chế độ phun Chế độ xốy lốc
1 lần, 25-3-75, 50-3-50, 75-3-25, 90-3-10
1,0; 1,5; 3,0; 5,0
Chế độ tải (tspmas) 80% tải
Lưu lượng phun 375ml/30s
Nhiên liệu bắt đầu phun (deg BTDC) 16o
Nhiên liệu (cơng thức hĩa học) C14H30 (n-tetradecan)
Gĩc phun (tia nhiên liệu) 1420
Sau khi tạo được lưới động cơ, ta cần nhập các thơng số cần thiết cho quá trình mơ phỏng vào tập tin Itape5.txt (phục lục 2).
CH ƠNG 4 : ẢNH H NG C A QUỄ TRÌNH PHUN
NHIểN LI U NHI U L N ĐẾN CƠNG SU T VÀ Ơ
NHI M MƠI TR NG
4.1. Điều ki n mơ phỏng
Bảng 4.1 Thơng số quá trình mơ phỏng
Thơng số quá trình mơ phỏng Giá trị Thơng số hình học mơ phỏng (thsect.) 72.00
Tốc độ động cơ 2000 vịng/phút
Thời điểm xú páp nạp đĩng (IVC) 134degBTDC _ kỳ nén Thời điểm xú páp xả mở (EVO) 128degATDC_kỳ nén Nhiệt độ thành xy lanh 4000K
Nhiệt độ đỉnh Piston 4000K
Nhiệt độ nắp quy lát 4000K
Trường hợp phun Phun 1 lần, 25-3-75, 50-3-50, 75-3-25, 90-3-10.
Lưu lượng phun 375ml/30s
Thời gian phun (gĩc phun) 100
Nhiên liệu (cơng thức hĩa học) C14H30
Gĩc phun (tia nhiên liệu) 1420
Áp suất tại IVC 0.926 Bar
Nhiệt độ tại IVC 3130K
Tỉ số xốy lốc 1.0
4.2. Thơng số thay đổi
Mơ phỏng được thực hiện để xét sự ảnh hưởng của phun nhiên liệu nhiều lần đến cơng suất và ơ nhiễm mơi trường trên động cơ Diesel. Trong chương này, quá trình
mơ phỏng thực hiện trong các trường hợp phun khác nhau: phun 1 lần, 25-3-75, 50-3- 50,75-3-25, 90-3-10 với tỷ lệ xốy lốc 1,0
Hình 4.2: mối quan hệ giữa, lượng tiêu hao nhiên liệu với các trường hợp phun khác nhau
Hình 4.1, 4.2 là đồ thị đặc tính cơng suất động cơ và suất tiêu hao nhiên liệu trong các trường hợp phun khác nhau. Ta thấy khi chuyển qua phun tách, cơng suất và suất tiêu hao nhiên liệu thay đổi như sau:
Bảng 4.2. Cơng suất và suất tiêu hao nhiên liệu ứng với các trường hợp phun
Trường hợp
phun
Cơng suất
P(kW) P%
Suất tiêu hao nhiên liệu ge (g/kW.h) ge% Lần1 2 3 4 5 Phun 1 lần 25-3-75 50-3-50 75-3-25 90-3-10 8,03 8,13 7,93 8,06 8,21 0 1,23 -1,18 0,4 2,21 192,06 189,72 194,36 191,43 187,90 0 -1,22 1,2 -0,33 -2,22
4.3. K t qu và bình lu n:
4.3.1. Ảnh h ng c a phun nhiên li u nhiều lầnđ n ápsuất và nhi t độ trong xy lanh
Qua mơ phỏng, chúng ta cĩ thể nghiên cứu tác động của quá trìnhphun đến cơng suất và ơ nhiễm mơi trường trên động cơ nghiên cứu nĩi riêng và động cơ Diesel nĩi chung tại giá trị tốc độ động cơ là 2000vịng/phút. Đồ thị áp suất trung bình và nhiệt độ trong xy lanh tại các gĩc quay trục khuỷu theo các trường hợp phun khác nhau được thể hiện trên hình 4.3 và hình 4.4. Từ 2 đồ thị trên cho chúng ta thấy rằng khi thay đổi từ phun một lần qua phun tách thì áp suất cực đại cũng như nhiệt độ cực đại trong xy lanh trong các trường hợp phun tách đều tăng lên tương ứng. Cụ thể, khi phun 1 lần áp suất cực đại đạt 91,8bar (6,31 deg ATDC) nhiệt độ trung bình đạt cực đại 1830,8K (16,64 deg ATDC), trường hợp phun 25-3-75 áp suất tăng cực đại lên 91,86 bar (6,8 deg ATDC) tăng ,.0344% cịn nhiệt độ trung bình cực đại tăng lên 1852,8 K (16 deg ATDC) tăng 1,15%, trường hợp phun 50-3-50 áp suất tăng cực đại lên 96,9bar (5,54 deg
ATDC) tăng 5,6% cịn nhiệt độ trung bình cực đại tăng lên 1834,2K (14 deg ATDC)
tăng 0,18%, trường hợp phun 75-3-25 áp suất cực đại tăng lên 100,4 bar (6,52 deg
ATDC) tăng 9,3% cịn nhiệt độ trung bình cực đại tăng lên 1915,6K (12,14 deg ATDC)
tăng 4,63% trường hợp phun 90-3-10 áp suất tăng cực đại lên 100,06 bar (6.42 deg
ATDC) cịn nhiệt độ trung bình cực đại tăng lên 1936,2K (13 deg ATDC ) tăng 5,76%.
Như đã phân tích ở trên, khi phun tách cụ thể quá trình phun được chia làm hai lần
phun, lượng nhiên liệu được chia làm hai và thời gian nghỉ giữa hai lần phun là 3 deg,
nhiên liệu được phun làm hai lần làm cho thời gian cháy trễ ngắn hơn (hình 4.5), quá
hơn kéo theo áp suất và nhiệt độ trong xy lanh tăng cao. (Zhu và nhĩm tác giả, 2003,
[25]).
Hình 4.3 Mối quan hệ giữa áp suất trung bình và gĩc quay trục khuỷu tại các trường hợp phun khác nhau hợp phun khác nhau
Quan sát hình 4.3 và hình 4.4 ta thấy áp suất và nhiệt độ cực đại trong xy lanh tại trường hợp phun 90-3-10, đồng thời theo đồ thị hình 4.1 cho giá trị cực đại của cơng suất tại 90-3-10. Như vậy ta thấy với lượng lớn phun trong lần thứ nhất ta thu được áp suất, nhiệt độ trung bình trong xy lanh cực đại và cơng suất cực đại.
Hình 4.5 Đồ thị thời gian cháy trễ ứng với các trường hợp phun
Hình 4.6 Phân bố nhiệt độ trong xy lanh tại các trường hợp phun tại 7deg BTDC
Qua hình 4.5 và hình 4.6 ta thấy rằng khi phun tách thời gian cháy trễ giảm hơn so
với phun 1 lần. Khi chuyển qua phun tách phun 2 lần một lượng lớn nhiên liệu được phun vào buồng đơt tại thời kỳ cháy trễ nên quá trình cháy với hỗn hợp hịa trộn trước xảy ra mạnh hơn.
4.3.2. Ảnh h ng c a phun nhiên li u nhiều lần đ n hình thành bồ hĩng
Hình 4.7 Lượng bồ hĩng phát thải tương ứng với trường hợp phun 1 lần và 90-3-10
Hình 4.7 thể hiện mối quan hệ giữa nồng độ bồ hĩng và gĩc quay trục khuỷu.
Quan sát trên hình ta thấy khi chuyển qua phun tách 90-3-10 nồng độ bồ hĩng giảm từ
1,67803E-5 (g) phun 1 lần xuống 6,79165E-6 (g) giảm 59,5%. trường hợp phun tách
quá trình hịa trộn giữa khơng khí và nhiên liệu diễn ra tốt hơn làm cho quá trình cháy
diễn ra mạnh mẽ hơn kéo theonhiệt độ quá trình cháy tăng cao nên phản ứng oxi hĩa bồ
cực đại của xy lanh ở trường hợp phun 1 lần 1830,8K (16,64 deg ATDC) chuyển qua
phun tách 90-3-10 nhiệt độ trung bình cực đại tăng lên 1936,19K (13 deg ATDC tăng
5,76%). Đây là nguyên nhân làm lượng bồ hĩng trong xy lanh giảm dần.Từ hình 4.9 và
4.5 ta thấy trong khoảng từ 1deg BTDC đến 24 deg ATDC lượng bồ hĩng hình thành tăng nhanh trường hợp phun 1 lần 2,5245E-4(g) (24 deg ATDC) và trường hợp phun
90-3-10 lượng bồ hĩng 2,4433E-4(g) (22 deg ATDC). Tuy nhiên lúc này nhiệt độ trong
xy lanh cũng tăng nhanh và nhiệt độ trong xy lanh cao dẫn đến quá trình oxi hĩa diễn ra mạnh do vậy lượng bồ hĩng bị oxi hĩa cũng tăng nhanh, trường hợp phun 1 lần lượng bồ hĩng bị oxi hĩa trong khoảng thơi gian này 2,3422 (g) (24 deg ATDC) cịn trường hợp phun 90-3-10 lượng bồ hĩng 2,4768(g) (22 deg ATDC).
Trong khoảng 24deg ATDC đến 128 deg ATDC lượng bồ hĩng hình thành và bồ hĩng oxi hĩa tăng chậm vì giai đoạn này quá trình kết thúc nhiệt độ buồng cháy giảm
Hình 4.8 Lượng bồ hĩng hình thành tương ứng với trường hợp phun
Hình 4.10 Lượng bồ hĩng phát thải ứngvới gĩc quay trục khuỷu tại các trường hợp phun khác nhau phun khác nhau
Từ hình 4.8, hình 4.9, hình 4.10 cho thấy lượng bồ hĩng hình thành, lượng bồ hĩng bị oxi hĩa và lượng bồ hĩng phát thải tương ứng với các trường hợp phun khác
nhau. Từ hình 4.11ta thấy rằng lượng bồ hĩng phát thải khi chuyển qua phun tách giảm
như đã phân tích ở trên trường hợp phun tách 90-3-10 so với trường hợp phun 1 lần lượng bồ hĩng giảm 59,5% từ 1,67803E-5 (g) xuống 6,79165E-6 (g). Tuy nhiên, quan
sát trên đồ thị thì ta thấy tại trường hợp phun tách 50-3-50 nồng độ bồ hĩng lại cao hơn trường hợp phun tách 25-3-75 quan sát trên hình 4.5 ta thấy rằng tại 13 deg ATDC tốc độ cháy ở trường hợp phun tách 50-3-50 giảm đột ngột lúc này quá trình cháy hầu như kết thúc trong khi đĩ tại 13 deg ATDC nhiệt độ trung bình trong xy lanh trong trường hợp phun tách vẫn tăng lên và đạt cưc đại 1852,8 K (16 deg ATDC) (theo hình 4.4).
Đây chính là nguyên nhân làm cho nồng độ bồ hĩng ở trường hợp phun tách 50-3-50
Hình 4.11 Lượng bồ hĩng phát thải tương ứng với các trường hợp phun
Như vậy với trường hợp phun tách 25-3-75, 50-3-50, 75-3-25, 90-3-10 nồng độ bồ hĩng phát thảigiảm 15,4%; 2,2%; 29,3%; 59,5% so với trường hợp phun 1 lần trên
động cơ mơ phỏng AVL.
Hình 4.12 Lượng NOx phát thải tương ứng với gĩc quay trục khuỷu
Trên hình 4.12. Là đồ thị khối lượng NOx trong xy lanh theo gĩc quay trục khuỷu. Ta thấy trên đồ thị chia làm hai giai đoạn đầu tiên NOx giảm sau đĩ tăng lên cụ thể khi chuyển từ phun 1 lần qua phun tách ta thấy NOx giảm, khi phun tách 25-3-75
lượng NOx 0,001244 (g) giảm 5,18% so với phun 1 lần lượng NOx 0,001312 (g). Khi
chuyển qua các trường hợp phun tách khác 50-3-50, 75-3-25, 90-3-10 NOx tăng lên tương ứng so với trường hợp phun 1 lần như sau: 0,0015(g) tăng 14,33%, 0,00166(g)
tăng 26,52%; 0,00168(g) tăng 28,05%. Hình 4.13 và hình 4.15 ta thấy nguyên nhân làm
cho NOx giảm từ phun 1 lần sang phun tách 25-3-75 do nhiệt độ cực đại giảm từ
2983,45 (K) (5deg ATDC) xuống 2924 (K) (6 deg ATDC). Chuyển sang các trường hợp
phun 50-3-50, 75-3-25, 90-3-10 nhiệt độ cực đại trong xy lanh tăng cao dẫn đến NOx
Trong quá trình cháy sản phẩm chính của quá trình cháy là CO2 và H2O để hình thành nguyên tử oxy cần thiết cho sự hình thành NOx. NOx được hình thành từ phản ứng dây chuyền bắt đầu bởi nguyên tử oxy, tại vùng nhiệt độ cao cĩ sự tách ra của phân tử
oxy trong quá trình cháy. Các phản ứng chính về sự hình thành của NO từ phân tử nitơ
theo cơ chế Zeldovich là:
Hình 4.14 Lượng NOx phát thải tương ứng với các trường hợp phun khác nhau
Hình 4.15 Phân bố nhiệt độ lớn nhất trong xy lanh tương ứng trường hợp phun phun 1 lần (vị trí trụckhuỷutại 5degATDC);25-3-75 (vị trí trục khuỷu tại 6degATDC); 50-3- lần (vị trí trụckhuỷutại 5degATDC);25-3-75 (vị trí trục khuỷu tại 6degATDC); 50-3-
50 (vị trí trục khuỷu tại 6degATDC; 75-3-25(vị trí trục khuỷu tại 3degATDC) và 90-3- 10 (vị trí trục khuỷu tại 4deg ATDC).
Như vậy với trường hợp phun tách 25-3-75 nồng độ NOx giảm 5,18% , với trường hợp phun tách 50-3-50, 75-3-25, 90-3-10 nồng độ NOx tăng 14.33%, 26,52%;
28,05% với trường hợp phun 1 lần trên động cơ mơ phỏng AVL.
4.4. K t lu n
Khi chuyển qua phun tách 2 lần khi tăng lượng nhiên liệu phun lần thứ nhất lên thì áp suất và nhiệt độ cực đại trong xy lanh đều tăng. Nguyên nhân do hỗn hợp giữa nhiên liệu và khơng khí được hịa trộn tốt hơn, thời gian cháy trễ ngắn hơn, lượng nhiên liệu cháy trong thời kỳ cháy với hỗn hợp hịa trộn trước xảy ra mãnh liệt hơn.
Đối với nồng độ NOx và bồ hĩng, khi chuyển qua phun tách sẽ làm nồng độ bồ hĩng giảm và nồng độ NOx ở trường hợp phun tách 25-3-75 giảm, cịn trường hợp 50-
3-50, 75-3-25, 90-3-10 NOx tăng lên so với phun 1 lần
Cơng suất ở trường hợp phun tách 90-3-10 lớn nhất và lượng bồ hĩng phát thải nhỏ nhất.
CH ƠNG 5 : ẢNH H NG C A XOỄY L C ĐẾN CƠNG
SU T VÀ Ơ NHI M MƠI TR NG
5.1. Điều ki n mơ phỏng và thơng số thay đổi
Bảng 5.1 Thơng số quá trình mơ phỏng
Thơng số quá trình mơ phỏng Giá trị Thơng số hình học mơ phỏng (thsect.) 72.00
Tốc độ động cơ 2000 vịng/phút
Thời điểm xú páp nạp đĩng (IVC) 134degBTDC _ kỳ nén Thời điểm xú páp xả mở (EVO) 128degATDC_kỳ nén Nhiệt độ thành xy lanh 4000K
Nhiệt độ đỉnh Piston 4000K
Nhiệt độ nắp quy lát 4000K
Tỷ lệ xốy lốc 1,0; 1,5; 3,0; 5,0.
Lưu lượng phun 375ml/30s
Thời gian phun (gĩc phun) 100
Nhiên liệu (cơng thức hĩa học) C14H30
Gĩc phun (tia nhiên liệu) 1420
Áp suất tại IVC 0.926 Bar
Nhiệt độ tại IVC 3130K
Nhiệt độ tia nhiên liệu ban đầu 3200K
Mơ phỏng được thực hiện nhằm nghiên cứu sự ảnh hưởng của tỷ lệ xốy lốc đến cơng suất và ơ nhiễm mơi trường trên động cơ Diesel.
Hình 5.1.Mối quan hệ giữa cơng suất động cơvới tỷ lệ xốy lốc
Để xét sự tác động, quá trình mơ phỏng tiếp tục được thực hiện trên động cơ nghiên cứu AVL, việc xác lập các thơng số ban đầu tương tự như mục 5.1.
Hình 5.1 và hình 5.2 là đồ thị đặc tính cơng suất động cơ và suất tiêu hao nhiên liệu khi thay đổi tỷ lệ xốy lốc. Theo đồ thị, khi tăng giá trị tỷ lệ xốy lốc thì cơng suất động cơ và lượng tiêu hao nhiên liệu thay đổi tương ứngtrên đồ thị.
Sự ảnh hưởng của tỷ lệ xốy lốc đến từng thơng số của động cơ sẽ được xem xét cụ thể hơn ở những phần sau.
Hình 5.2. Mối quan hệ giữa suất tiêu hao nhiên liệuđộng cơvới tỷ lệ xốy lốc
Qua hình 5.1 và 5.2 ta thấy khi tăng tỷ lệ xốy lốc từ 1,0 đến 5,0 thì cơng suất và suất tiêu hao nhiên liệu thay đổi như sau:
Bảng 5.2. Cơng suất và suất tiêu hao nhiên liệu ứng với các tỷ lệ xốy lốc
Tỷ lệ xốy lốc
Cơng suất
P(kW) P%
Suất tiêu hao nhiên liệu ge (g/kW.h) ge% Lần1 2 3 4 1,0 1,5 3,0 5,0 8,03 8,1 8,2 7,66 0 0,87 2,12 -4,6 192,06 190 188 219 0 -1,04 -2,08 14,06
5.2. K t qu và bình lu n
5.2.1. Ảnh h ng c a xốy lốc đ n ápsuất và nhi t độ trong xy lanh
Hình 5.3. Mối quan hệ giữa áp suất trung bình và gĩc quay trục khuỷu tương ứng với tỷ lệ xốy lốc khác nhau
Hình 5.4. Đồ thị nhiệt độ trung bình trong xy lanhvới gĩc quay trục khuỷu ứng với tỷ lệ xốy lốc khác nhau tỷ lệ xốy lốc khác nhau
Qua mơ phỏng, chúng ta cĩ thể nghiên cứu tác động của xốy lốc đến cơng suất và ơ nhiễm mơi trường trên động cơ nghiên cứu nĩi riêng và động cơ Diesel nĩi chung, tại giá trị tốc độ động cơ là 2000vịng/phút. Đồ thị áp suất trung bình và nhiệt
độ trung bình trong xy lanh tại các gĩc quay của trục khuỷu theo tỷ lệ xốy lốc khác
nhau được thể hiện trên hình 5.3 và hình 5.4.
Từ 2 đồ thị trên cho chúng ta thấy rằng khi tăng tỷ lệ xốy lốc thì áp suất cực đại cũng như nhiệt độ trung bình cực đại trong xy lanh giảm dần chỉ cĩ ở tỷ lệ xốy lốc 3,0 nhiệt độ trung bình cực đại tăng. Cụ thể theo bảng 5.3
Bảng 5.3. Áp suất cực đại và nhiệt độtrung bình cực đại trong xy lanh
Tỷ lệ xốy lốc Áp suất cực đại p (bar) p% Nhiệt độ trung bình cực đại T(K) T%
Lần 1 2 3 4 1,0 1,5 3,0 5,0 91,83 89.8 90,7 87,7 0 -2,21 -1,23 -4,5 1830,8 1813,57 1926,8 1694,3 0 -0,9 5,2 -7,5
Khi tăng tỷ lệ xốy lốc lên vận tốc gĩc trục khuỷu khơng thay đổi điều đĩ cĩ nghĩa là vận tốc luồng khí nạp tăng lên (luồng khí nạp xốy nhiều) lúc đĩ tăng mức hịa trộn hỗn hợp khơng khí với nhiên liệu phun vào buồng đốt tuy nhiên nếu tỷ lệ xốy lốc lớn quá làm giảm hiệu quả việc hịa trộn hỗn hợp khơng khí và nhiên liệu.
Qua hình 5.5 và 5.6 ta thấy phân bố nhiên liệu và oxi tại 10 deg ATDC ứng với tỷ lệ
xốy lốc khác nhau, ta thấy khi tăng tỷ lệ xốy lốc thì lượng nhiên liệu trong xy lanh