1. Tiếp tục nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của vị trí đặt vòi phun trên hệ thống nạp động cơ đến tính năng kinh tế, kỹ thuật của động cơ chuyển đổi.
2. Cần nghiên cứu đánh giá thêm về trạng thái nhiệt của động cơ, mức độ đáp ứng của hệ thống làm mát động cơ sau khi chuyển đổi.
49
3. Tiếp tục khảo sát đánh giá ảnh hưởng của thông số vận hành (lưu lượng phun, góc đánh lửa sớm) đến mô men, công suất, độ phát thải,... từ đó góp phần ngày càng hoàn thiện bản đồ Map Engine.
50
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Tổng cục Thống kê, Kết quả Thống kê tình hình kinh tế, xã hội năm 2017,
Nhà xuất bản Thống kê 2018.
[2] Tổng cục Thống kê, Kết quả Thống kê điều tra nông thôn, Nông nghiệp và Thủy sản năm 2011, Nhà xuất bản Thống kê 2012.
[3] Lê Anh Tuấn, Triệu Tiến Chuẩn, Nguyễn Đức Khánh, Cao Văn Tài, Nghiên cứu mô phỏng trên AVL Boost tính năng của động cơ xe máy khi bổ sung khí HHO vào đường nạp - Tạp chí GTVT số tháng 8/2012.
[4] dongcobiogas.com.
[5] Nguyễn Tuấn Nghĩa, Nghiên cứu thiết kế cơ cấu phối khí linh hoạt trên động cơ xăng một xy lanh công suất nhỏ, 2018.
[6] http://honda.com.vn/
[7] Bùi Thái Sơn, Tính toán mô phỏng động cơ xăng thông thường khi chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu linh hoạt - Luận văn Thạc sĩ Khoa học, 2015
[8] Radu Chiriac, et al; Effects of Gasoline-Air Enrichment with HRG Gas on Efficiency and Emissions of a SI Engine; SAE Paper 2006- 01- 3431.
[9] T. D’Andrea, et al; Investigating Combustion Enhancement and Emissions Reduction with the Addition of 2H2 + O2 to a SI Engine; SAE Paper 2003-32- 0011 [10] Ammar A. Al-Rousan; Reduction of fuel consumption in gasoline engines by introducing HHO gas into intake manifold; Int. J. of Hydrogen Energy, Vol. 35, pp. 12930-12935, 2010
[11] Shuofeng Wang, et al; Comparison of the performance of a spark-ignited gasoline engine blended with hydrogen and hydrogen-oxygen mixtures; Energy, Vol. 36, pp. 5832-5837, 2011.
[12] Boost User’s Guide - 2010.
NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG CỠ NHỎ
RESEARCH SIMULATION SIMULATION FIRE PROCESS OF SMALL GASOLINE ENGINE
Trịnh Văn Hải
Học viên cao học Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
TÓM TẮT
Việc chuyển đổi động cơ xăng cỡ nhỏ phục vụ mục đích tĩnh tại, sử dụng bộ chế hòa khí và đánh lửa thường sang sử dụng hệ thống phun xăng đánh lửa điện tử EFI là khả thi, hoàn toàn có thể thực hiện được với một chi phí phù hợp, góp phần tiết kiệm nhiên liệu, giảm thiểu phát thải ô nhiễm từ khí thải động cơ. Mô hình mô phỏng động cơ Huahie 5,5Hp xây dựng trên cơ sở phần mềm Boost của hãng AVL phản ảnh tương đối chính xác so với động cơ thực. Cho phép rút ngắn thời gian khảo sát và giúp định hướng trong quá trình tính toán khảo sát, lựa chọn phương án chuyển đổi động cơ xăng Huahie 5,5 Hp sử dụng bộ chế hòa khí sang sử dụng hệ thống nhiên liệu EFI.
Góc đánh lửa sớm tối ưu khi bướm ga mở hoàn toàn, tốc độ động cơ thay đổi từ 2000 vòng/phút đến 3600 vòng/phút thay đổi trong phạm vi từ 14 đến 17 độ trước điểm chết trên.
Ở chế độ làm việc bướm ga mở hoàn toàn (n = 3000 vòng/phút), góc đánh lửa sớm tối ưu nhằm đảm bảo công suất và mô men động cơ đều đạt giá trị tối đa là khoảng 16 độ trước điểm chết trên.
Từ khóa: Động cơ xăng tĩnh tại; phun xăng, góc đánh lửa sớm, mô phỏng.
ABSTRACT
The study shows that the conversion of a small gasoline engine using a carburetor and ignition into an EFI (Electronic Fuel Injection) systemfor stationary purposes is possibly effective with appropriate costs. Using the new system makes contributions to fuel savings and reduces exhaust emissions.
The Huahie 5.5Hp engine simulation model built on AVL's Boost software reflects accurately compared to the real engine. It allows to shorten the survey length, helps guide the calculating process and chooses the option of converting Huahie 5.5 Hp gasoline carbureted engine into the EFI system.
The optimal advancing ignition timing is approximately 14 to 17 degrees before the top dead centerwhen the throttle is fully opened, the engine speed variations from 2000 rpm to 3600 rpm. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
At fully wide throttle open mode (n = 3000 rpm), the optimaladvancing ignitiontiming is approximately 16 degrees before top dead center ensuring the power and torque engine are both at maximum values.
Keywords: Gasoline engine; fuel injection, the Huahie 5.5Hp; advancing ignition timing,
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, đa số động cơ xăng tĩnh tại cỡ nhỏ dùng trong nông nghiệp như: máy cắt cỏ, máy xịt thuốc, máy phát điện, chế biến cà phê vẫn sử dụng hệ thống nhiên liệu là bộ chế hòa khí và hệ thống đánh lửa thông thường nhằm giảm giá thành, tăng tính cạnh tranh... Tuy nhiên, dòng động cơ này có các nhược điểm đó là sự hạn chế các tính năng làm việc, tiêu hao nhiên liệu và sự phát thải ô nhiễm ra môi trường. Do đó hiệu quả sử dụng nhiên liệu không cao, phát thải nhiều ô nhiễm ra môi trường
Trước sự phát triển của công nghệ hiện nay, cùng với đó là sự phổ biến của công nghệ phun xăng đánh lửa điện tử trên các dòng xe máy hiện đại, tạo điều kiện thuận lợi để ứng dụng công nghệ phun xăng đánh lửa điện tử trên các dòng động cơ xăng tĩnh tại cỡ nhỏ dùng bộ chế hòa khí truyền thống.
- Mục tiêu của đề tài là đề xuất phương án thay thế bộ chế hòa khí và đánh lửa thường trên động cơ Huahia 5.5hp bằng hệ thống phun xăng đánh lửa điện tử.
- Xây dựng mô hình mô phòng trên động cơ Huahia 5.5 hp bằng phần mềm Boost của hãng AVL.
- Nghiên cứu mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của các thông số kết cấu và vận hành đến tính năng kinh tế, kỹ thuật của động cơ. - Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là động cơ xăng tĩnh tại Huahie 5.5hp, 1 xy lanh sử dụng hệ thống nhiên liệu bộ chế hòa khí.
2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Mô hình cháy
Mô hình cháy Fractal dùng cho động cơ đánh lửa cưỡng bức, được đề cập trong BOOST, dự đoán tốc độ giải phóng nhiệt trong động cơ khí nạp đồng nhất. Do đó phải xét đến ảnh hưởng của các thông số quan trọng sau: Hình dạng buồng cháy; Vị trí và
thời gian đánh lửa;Thành phần của khí nạp; Chuyển động nạp và mức độ xoáy lốc. - Xoáy lốc: ̇ ̇ ̇ ( ) ̇ ̇ ̇ ( ) √ ( ) Trong đó:
K: Năng lượng động lực của lưu lượng trung bình.
(Uf): Sự sinh ra và mất đi của nó chủ yếu liên quan đến tốc độ nạp và thải.
k: Năng lượng động lực học của lưu lượng xoáy lốc (giả thuyết là đẳng hướng) trong khi
: Tốc độ phân tán
P: Biểu thị sự sinh ra xoáy lốc đặc trưng cho sự truyền năng lượng giữa lưu lượng xoáy lốc và lưu lượng xoáy lốc trung bình.
Ct: Hằng số điều chỉnh.
Phương trình 2.1 - 2.3 được tổng hợp tất cả thông qua chu trình động cơ và sự sinh ra xoáy lốc do sự thay đổi mật độ khí chưa cháy bên trong xilanh trong suốt kỳ nén và giãn nở bao gồm cả trong K và k.
- Sự đánh lửa
Những hiện tượng phức tạp xảy ra sau khi xuất hiện đánh lửa như dạng nhũ tương và lan tràn hạt lửa xảy ra sau đó được diễn tả chi tiết. Quá trình hình thành hạt nhân kết thúc sau khoảng 200ms (điều hưởng được bằng bộ nhân thời gian hình thành đánh lửa Cign) sau đánh lửa tại bán kính lửa giới hạn khoảng 2mm. Trong suốt giai đoạn này, tốc độ cháy rất cao, phụ thuộc vào năng lượng giải phóng của hệ đánh lửa, nó đạt tối thiểu với giá trị giống với tốc độ cháy tầng và sau
đó nó lại tăng lên, kết quả là hình thành sóng lửa.
- Cháy sát vách
Khi màng lửa lan truyền tới thành buồng cháy, cơ cấu phân dạng đã diễn đạt ở trên của sự lan truyền lửa không còn hiệu lực nữa. Những đặc tính quan trọng nhất của sự hoàn thiện cháy liên quan tới ảnh hưởng của thành vách trong quá trình cháy (hiện tượng cháy sát vách)
2.2. M hình truyền nhiệt 2.2.1.Quá trình áp uất cao
Định luật nhiệt động học 1 cho hệ thống kín như sau (giả định mô hình 1 chiều đơn giản hóa), thể hiện mối quan hệ giữa sự biến thiên của nội năng (hay enthalpy) với sự biến thiên của nhiệt và công:
( ) ∑ ( ) Trong đó: - ( )
Nội năng biến đổi bên trong xy lanh;
- : Công chu trình thực hiện;
- : Nhiệt lượng cấp vào; - ∑ : Tổn thất nhiệt qua vách; -
: Tổn thất enthalpy lọt khí; (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- mC : Khối lượng môi chất bên trong xylanh;
- u: Nội năng;
- pcyl : áp suất bên trong xylanh; - V: Thể tích xylanh;
- QF : Nhiệt lượng của nhiên liệu cung cấp; - α: Góc quay trục khuỷu;
- hBB: Trị số enthalpy; -
: Biến thiên khối lượng dòng chảy
Phương trình trên được sử dụng cho cả hai trường hợp động cơ có sự hình thành hỗn hợp khí bên trong và bên ngoài xylanh.
2.2.2. Quá trình trao đổi khí (quá trình áp suất thấp)
Quá trình này phải đưa vào lưu lượng khối lượng khí, ra trong phương trình định luật nhiệt động học 1: ( ) ∑ ∑ ( ) Trong đó:
- hin: enthalpy của khí vào xylanh - hout: enthalpy của khí ra xylanh
- dmin: Phần tử khối lượng chảy vào xylanh - dmout: Phần tử khối lượng chảy ra khỏi xy lanh
2.3. Xây dựng mô hình mô phỏng 2.3.1. Xây dựng mô hình
Dựa trên đặc điểm cấu tạo và các thông số kỹ thuật của động cơ động cơ sau chuyển đổi, sử dụng các phần tử có s n trong AVL BOOST xây dựng được mô hình động cơ đánh lửa cưỡng bức có sử dụng vòi phun xăng bố trí trên đường nạp.
Hình 2.1. Giao diện xây dựng mô hình mô phỏng
Hình 2.2. Mô hình mô phỏng động cơ Huahie 5,5HP
Hình 2.3. Cửa sổ khai báo thông số của xylanh
Hình 2.4. Cửa sổ khai báo góc đánh lửa sớm
Hình 2.5. Cửa sổ khai báo biên dạng cam thải (nạp)
2.3.2. Quy trình mô phỏng
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, tác giả giới hạn các trường hợp khảo sát ứng với độ mở bướm ga là 100%. Quy trình mô phỏng thực hiện như sau:
- Bước 1: Khai báo các thông số các phần tử
thuộc mô hình; chạy thử nghiệm; so sánh mômen công suất với động cơ thực; hoàn thiện thông số mô hình.
- Bước 2: Từ mô hình hoàn thiện, tiến hành
khảo sát biến thiên mômen và công suất động cơ khi thay đổi góc đánh lửa sớm từ 60
đến 300
trước điểm chết trên (TĐCT) khi tốc độ động cơ là 3000 vòng/phút, bướm ga mở 100%.
- Bước 3: Khảo sát tìm góc đánh lửa sớm tối
ưu biến thiên theo tốc độ động cơ, bướm ga mở 100%.
3. Kết quả và bàn luận
3.1. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến mô men và công suất động cơ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.1. Biến thiên mô men động cơ khi thay đổi góc đánh lửa sớm từ 6 đến 30 độ
(tốc độ động cơ 3000 vòng/phút,bướm ga mở 100%.) 11.2 11.4 11.6 11.8 12 12.2 12.4 12.6 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 M ô m e n, M e (N.m ) Góc đánh lửa sớm, độ Me Lọc gió Vòi phun Xy lanh Điểm đo Bình tiêu âm
Hình 3.2. Biến thiên công suất động cơ khi thay đổi góc đánh lửa sớm từ 6 đến 30 độ
(Tốc độ động cơ 3000 vòng/phút)
Dựa vào đồ thị Hình 3.1 và Hình 3.2
cho thấy khi tốc độ động cơ là 3000 vòng/phút, nếu tăng góc đánh lửa sớm thì giá trị công suất và mô men động cơ đều tăng và đạt giá trị cực đại ứng với góc đánh lửa sớm là 16 độ. Sau đó càng tăng góc đánh lửa sớm (trên 16 độ) thì giá trị công suất và mô men động cơ đều giảm.
Hình 3.3. Biến thiên áp suất buồng cháy khi thay đổi góc đánh lửa sớm (Bướm ga mở
100%, n = 3000 vòng/phút, góc đánh lửa sớm thay đổi từ 8 đến 300TĐCT)
Khảo sát diễn biến áp suất trong buồng cháy khi cố định độ mở bướm ga mở 100%, n = 3000 vòng/phút, góc đánh lửa sớmthay đổi từ 8 đến 300TĐCT. Kết quả nhận được (Hình 3.18) cho thấy càng tăng góc đánh lửa sớm, điểm có áp suất cực đại càng xảy ra gần điểm chết trên hơn. Tuy nhiên công có ích
của động cơ không đơn thuần sẽ tăng một cách tuyến tính theo độ tăng góc đánh lửa sớm: ở một chế độ làm việc cụ thể, nếu đánh lửa quá sớm, quá trình gia tăng áp suất do đốt cháy một phần hỗn hợp, lại diễn ra khi piston vẫn còn đang trong quá trình đi lên ĐCT, dẫn đến tổn thất đáng kể phần năng lượng sinh ra từ việc đốt cháy lượng hỗn hợp này, dẫn đến công suất có ích lại giảm đi.
Hình 3.4. Sự thay đổi của mô men và công suất động cơ theo số vòng quay (góc đánh lửa sớm giữ cố định là 16 độ, bướm ga mở 100%).
Khi cố định góc đánh lửa sớm 16 độ trước điểm chết trên, càng tăng số vòng quay thì công suất động cơ càng tăng; tuy nhiên mô men động cơ chỉ tăng trong phạm vi tốc độ động cơ từ 2000 đến 2600 vòng/phút; khi số vòng quay lớn hơn 3000 vòng/phút trong khi công suất vẫn tiếp tục gia tăng, thì mô men động cơ lại giảm (Hình 3.19).
3.2. So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng:
So sánh kết quả thực nghiệm (do nhà sản xuất công bố) và kết quả mô phỏng trong trường hợp góc đánh lửa sớm 160
, bướm ga mở hoàn toàn, tốc độ động cơ thay đổi từ 2000 v/ph đến 3500 v/ph (Hình 3.5
và Hình 3.6). Kết quả cho thấy độ sai lệch giữa kết quả mômen nhận được từ tính toán mô phỏng so với kết quả do nhà sản xuất
3.5 3.55 3.6 3.65 3.7 3.75 3.8 3.85 3.9 3.95 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 C ông suất, Ne( K w) Góc đánh lửa sớm, độ Ne
Bien thien ap suat buong chay khi thay doi goc danh lua som
0 1e+006 2e+006 3e+006 4e+006 5e+006 6e+006 7e+006 P re s s u re [P a ] 0 90 180 270 360 450 540 630 720 CRANKANGLE[deg]
30_Pressure Cylinder 1[Pa] 24_Pressure Cylinder 1[Pa] 20_Pressure Cylinder 1[Pa] 14_Pressure Cylinder 1[Pa] 8_Pressure Cylinder 1[Pa]
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 12 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 M ô m e n, M e (N.m ) Tốc độ động cơ n (vòng/phút) C ô n g suất , N e ( Kw)
công bố là xấp xỉ 12%, tuy nhiên độ sai lệch về công suất chỉ xấp xỉ 7%.
Kết quả này cho thấy mô hình mô phỏng đảm bảo độ tin cậy, phản ánh tương đối chính xác động cơ thực tế.
Hình 3.5. So sánh kết quả thực nghiệm và tính toán mô phỏng mô men động cơ (góc
đánh lửa sớm giữ cố định là 16 độ, bướm ga mở 100%).
Hình 3.6. So sánh kết quả thực nghiệm và tính toán mô phỏng công suấtbđộng cơ (góc
đánh lửa sớm giữ cố định là 16 độ, bướm ga mở 100%).
3.3. Xác định góc đánh lửa sớm tối ưu
Trên cơ sở mô hình mô phỏng đã được hoàn thiện, kế tiếp sử dụng mô hình đã được hiệu chỉnh này, tiến hành thêm các đánh giá khác nhằm định hướng cho việc xây dựng bản đồ động cơ (map engine) sau này.
Tiếp theo là các kết quả nghiên cứu mô phỏng, khảo sát tìm góc đánh lửa sớm tối ưu biến thiên theo tốc độ động cơ, trong trường hợp bướm ga mở 100%. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.7. Sự thay đổi của mô men và công suất động cơ theo góc đánh lửa sớm
(Bướm ga mở 100%, n = 2000v/p).
Hình 3.8. Sự thay đổi của mô men và công suất động cơ theo góc đánh lửa sớm
(Bướm ga mở 100%, n = 2200v/p). 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0 13.0 14.0 15.0 2000 2500 3000 3500 M e ( N .m ) n (v/p) Mô phỏng
Thông số của nhà sản xuất
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 2000 2500 3000 3500 N e ( N .m )