2.3.1. Hình thành phát thải CO
Các thực nghiệm chỉ ra rằng hàm lượng CO trong khí thải động cơ xăng phải được điều khiển cẩn trọng bởi vì hàm lượng CO này nhỏ hơn giá trị cao nhất đo được trong buồng cháy nhưng lại lớn hơn giá trị cân bằng tương ứng. Thực tế, hàm lượng CO tăng nhanh trong vùng màng lửa, chủ yếu sinh ra bởi sự nhiệt phân do hydrocacbon bị oxi hoá không hoàn toàn, và tiếp tục bị oxi hóa hoàn toàn tạo thành CO2 thông qua cơ chế động lực học.
Hình 2.3. Tỷ lệ mol CO dự đoán: hàm lượng CO cân bằng và CO động học Vì thế, giá trị CO có thể được tính toán bằng việc giải phương trình vi phân dựa trên các phản ứng sau:
CO + OH = CO2 + H, CO2 + O = CO + O2
24
Nồng độ CO được tính toán theo công thức:
( ) (
)
Trong đó:
[CO]e là hàm lượng cân bằng của CO và các giá trị tốc độ R1, R2 cho bởi công thức:
R1 = k1+ [CO]e[OH]e (2.27)
R2 = k2-[CO]e[OH]e (2.28)
Trong hình 2.7 hàm lượng CO cân bằng và CO động học là hàm của góc quay trục khuỷu và được biểu thị nhằm nêu lên tầm quan trọng của việc sử dụng cơ cấu động lực học. Tỷ lệ mol CO được dự đoán bởi mô hình này với cùng động cơ thử nghiệm được miêu tả trong hình 3.8 theo hàm của góc đánh lửa sớm và hệ số dư lượng không khí. Từ đó thấy rằng sự phát thải CO được điều khiển chủ yếu bởi tỷ số A/F. Thực tế thì CO giảm khi tăng tỷ số A/F, bởi vì càng nhiều O2 tham gia phản ứng oxi hoá thì lượng CO càng giảm. Góc đánh lửa sớm không có ảnh hưởng, vì áp suất xylanh và nhiệt độ khí cháy không ảnh hưởng tới sự hình thành hóa học của CO.
Hình 2.4. Tỷ lệ mol dự đoán của CO theo hàm giữa góc đánh lửa sớm và hệ số dư lượng không khí
25
2.3.2. Hình thành HC
Trong động cơ đánh lửa cưỡng bức hydrocacbons không cháy có từ nhiều nguồn khác nhau. Vì thế việc mô tả hoàn chỉnh quá trình hình thành chúng là một công việc khó khăn. Tuy nhiên, mô hình phương pháp luận giải thích cho cơ chế hình thành chính có thể được áp dụng để nghiên cứu hình thành HC theo hàm với các thông số hoạt động của động cơ. Những nguồn chính của hydrocacbon chưa cháy có thể được xác định trong động cơ đánh lửa cưỡng bức:
- Tỷ lệ khí nạp qua khe hở và không cháy khi màng lửa tắt.
- Hơi nhiên liệu bị hấp thụ vào lớp màng dầu và kết tủa trên thành xylanh trong suốt kỳ nạp và kỳ nén.
- Hiệu ứng cháy sát vách
- Hiện tượng cháy không hoàn toàn hay bỏ lửa xảy ra khi chất lượng cháy kém. - Dòng chảy trực tiếp của hơi nhiên liệu vào hệ thống xả ở động cơ PFI. Hai cơ chế đầu và đặc biệt là sự hình thành do khe hở được xem là quan trọng nhất và cần phải được chú ý trong mô hình nhiệt động học. Hiệu ứng cháy sát vách và cháy không hoàn toàn không thể mô tả vật lý theo phương pháp vô hướng nhưng có thể đưa ra từ những mối tương quan bán thực nghiệm.
Phương trình tổng quát về tốc độ hình thành HC: / w 2 HC g b E RT HC HC d HC c A e HC O dt (2.29)
với AHC = 7,7 x 109 ((m3/mol)a+b-1/s) EHC = 156222 (J/mol)
R = 8314 (J/mol K) Tgw = (Tgas + Tcyl.wall)/2
26
CHC là hằng số điều chỉnh tốc độ phản ứng tùy thuộc từng chế độ, từng loại động cơ.
a và b là các hằng số, a = b = 1.
a. Cơ chế khe hở
Khe hở là những vùng hẹp mà màng lửa không thể lan truyền tới. Những khe hở đáng lưu ý nhất là khe hở giữa xec-măng và thành xylanh và khe hở đỉnh piston. Trong suốt quá trình nén, hỗn hợp không cháy bị đẩy vào những khe hở này, làm cho nhiệt trao đổi tới thành xylanh giảm xuống. Trong suốt quá trình cháy, áp suất tiếp tục tăng lên và đẩy hỗn hợp khí không cháy khác vào các khe hở. Màng lửa tới bị dập tắt nên khí chưa cháy lại bị đẩy ra khỏi các kẽ hở khi áp suất trong xylanh bắt đầu giảm.
Để mô tả quá trình này, mô hình giả định rằng áp suất trong xylanh và trong khe hở là như nhau và nhiệt độ của hỗn hợp khí trong các khe hở bằng với nhiệt độ piston. Khối lượng hỗn hợp khí trong kẽ hở tại mọi thời điểm là:
(2.30)
Trong đó:
mkh: là khối lượng khí nạp chưa cháy trong khe hở [kg] p: áp suất xylanh [Pa]
Vkh: Tổng thể tích khe hở [m3]
M: Khối lượng mol phân tử khí chưa cháy [kg/kmol] R: Hằng số khí [J/kmol.K]
Tpiston: Nhiệt độ piston [K]
b. Cơ chế hấp thụ/giải phóng HC
Nguồn hydrocacbon quan trọng thứ hai là sự có mặt của dầu bôi trơn trong nhiên liệu hay trên thành xylanh của buồng cháy. Thực tế, trong quá trình nén, áp
27
suất hơi nhiên liệu tăng, vì thế theo định luật Henry, sự hấp thụ xảy ra ngay cả khi dầu đã bão hoà trong suốt quá trình nạp. Trong suốt quá trình cháy, nồng độ hơi nhiên liệu trong khí cháy giảm về không nên hơi nhiên liệu đã bị hấp thụ trước đó sẽ được giải phóng ra từ dầu lỏng thành khí cháy. Độ hoà tan của nhiên liệu liên quan đến phân tử khối, vì thế lớp dầu tạo HC phụ thuộc vào độ hoà tan khác nhau của từng loại hydrocacbon trong dầu bôi trơn. Kết quả là, đối với nhiên liệu khí thông thường như metan hay propan, do khối lượng phân tử thấp, cơ chế này không ảnh hưởng nhiều. Giả thuyết về sự tăng sự hấp thụ/ giải phóng HC như sau:
- Lớp dầu có nhiệt độ bằng nhiệt độ thành xylanh.
- Dầu tạo thành từ những phần tử hydrocacbon đơn, hoá hơi hoàn toàn trong hỗn hợp khí mới.
- Dầu có sự hiện diện C30H62, có đặc tính giống dầu bôi trơn SAE5W20 - Sự khuếch tán nhiên liệu trong lớp dầu là một yếu tố giới hạn bởi vì hằng số khuếch tán trong chất lỏng nhỏ hơn 10.000 lần so với trong chất khí.
Hình 2.5. Tỷ lệ mol dự đoán của HC theo hàm giữa góc đánh lửa sớm và hệ số dư lượng không khí
Theo những giả thuyết đó, sự phân bố khối lượng trong lớp dầu được tính toán trong phương trình khuếch tán sau:
28
(2.31)
Trong đó:
WF: Tỷ lệ khối lượng của nhiên liệu trong lớp dầu [-] t: Thời gian [s]
r: Vị trí tâm lớp dầu (tính từ thành xylanh) [m]
D: Hệ số khuếch tán tương ứng (nhiên liệu - dầu) [m/s] D=7,4.10-8M0,5.vf-0,6.µ-1 (2.32) Trong đó:
M: Khối lượng mol phân tử của dầu [g/mol] T: Nhiệt độ dầu [K]
vf : Thể tích mol của nhiên liệu ở điều kiện sôi thông thường [cm3/mol] µ: Độ nhớt của dầu [centipoaso]
c. Hiệu ứng cháy cục bộ
Hiệu ứng cháy cục bộ và cháy sát vách không thể mô tả theo phương pháp vô hướng. Lavoie cùng cộng sự đã đưa ra giả thuyết về mối tương quan bán thực nghiệm, trong đó tỷ lệ khí nạp chưa cháy duy trì trong xylanh (Fprop) được tính toán bằng cách áp dụng phương trình sau:
(2.33)
C1 = 0,032+(-1)/22 khi < 1 C1 = 0,003+((-1).1,1)4 khi > 1 C2 = 0,35
29
F: Thông số hiệu chỉnh [-]
: Thời điểm 0% nhiên liệu chưa cháy [0TK]
0: Thời điểm 90% nhiên liệu chưa cháy [0TK]
EVO: Thời điểm van xả mở [0TK]
2.3.3. Hình thành phát thải NOx
Cơ chế hình thành NOx trong mô phỏng BOOST dựa trên cơ sở Pattas và Hafner. Quá trình hình thành của chúng được thể hiện qua sáu phương trình phản ứng theo cơ chế Zeldovich. Sự hình thành của NOx được tính toán theo thông số nhập đầu vào như tốc độ động cơ, nhiên liệu cũng như áp suất, nhiệt độ, hệ số dư lượng không khí , thể tích và khối lượng, thời gian cũng như số vùng cháy. Quá trình tính toán được bắt đầu lúc thời điểm cháy bắt đầu. Mặc dù trong khí thải NOx của động cơ xăng, NO chiếm phần lớn (90-98%) nhưng việc tính toán N2O cũng không thể bỏ qua. Lượng N2O sinh ra có mối quan hệ như sau:
6 0.615 2 1 2 2 18.71 1.1802.10 exp N O T RT N O (2.34)
Tốc độ hình thành NOx được tính như sau:
2 1 4 2 4 2(1 ) 1 1 e e d NO R R p dt K K RT (2.35)
Tốc độ phân hủy NO [mol/cm3] được tính toán như sau:
1 4
Pr 2
2 4
. .2, 0.(1 )
1 . 1
NO Post ocMult kineticMult
r r r C C AK AK Với , 1 4 2 4 , Pr 2 3 5 6 1 . ; ; NO act
NO equ Post oMult
C r r
AK AK
C C r r r r
30
Chương 3
NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ HUAHIE 5.5 HP
3.1. Giới thiệu động cơ Huahie 5,5 HP
Bảng 3.1. Các thông số kỹ thuật cơ bản của động cơ Huahie 5,5 HP
STT Th ng ố Đơn ị Huahie 5,5 HP
1 Loại (số xilanh, kỳ) 4 kỳ, 1 xi lanh, nằm ngang
2 Đường kính x hành trình piston (D, S) mm 68x45
3 Chiều dài thanh truyền (l) mm
4 Thể tích xi lanh (Vh) cc 168
5 Công suất định mức (Ne)
Công suất tối đa (Nmax) Hp/rpm
4,0/2600 5.5/3300
6 Mômen cực đại (Mmax) Kgf.m/rpm 11,1/2600
7 Tỉ số nén (ε) 8,5:1
8 Nhiên liệu Xăng A92
9 Thể tích thùng nhiêu liệu Lít 3.6
10 Suất tiêu thụ nhiên liệu g/(KW/h) 360
11 Dầu bôi trơn 25W, 50W
12 Thể tích dầu bôi trơn Lít 0,6
13 Hệ thống nhiên liệu Bộ chế hòa khí
14 Hệ thống khởi động Bằng tay
15 Hệ thống làm mát Không khí
31
Động cơ Huahie 5.5HP là động cơ xăng tĩnh tại 4 kỳ, 1 xi lanh, khởi động bằng tay. Dung tích xi lanh 168cm3. Đây là chủng loại động cơ được sử dụng phổ biến trong nông nghiệp. Nhằm cải thiện các tính năng tiêu hao nhiêu liệu và độ phát thải ô nhiễm, động cơ được chuyển đổi từ bộ chế hòa khí sang sử dụng hệ thống phun xăng, đánh lửa điện tử theo sơ đồ Hình 3.1 với một vòi phun được bố trí trên đường nạp.
3.2. Xây dựng mô hình mô phỏng 3.2.1. Xây dựng mô hình 3.2.1. 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 một vòi phun xăng bố trí trên đường nạp.
ECU Bơm xăng Bầu lọc gió Cảm biến IAT Thân bướm ga Vít gió cầm chừng Cảm biến TP, MAP Kim phun Cảm biến O2 Van từ cầm chừng nhanh Cảm biến EOT Cảm biến CKP
32
Hình 3.2. Giao diện xây dựng mô hình mô phỏng
Hình 3.3. Mô hình mô phỏng động cơ Huahie 5,5HP
1. Bầu lọc gió; 2. Vòi phun; 3. Xylanh; 4. Bình tiêu âm; 5. Các ống nối
1 2
3
33
Để thuận tiện cho việc xây dựng mô hình, đề tài chỉ xây dựng các phần tử cơ bản gồm: bầu lọc gió, vòi phun; xylanh; bình tiêu âm; các điều kiện biên (System Boundary; các ống nối cùng với các phần tử Retriction đặc trưng cho sự tổn thất trên các đường nạp, xả thể hiện như trên Hình 2.2 và Hình 2.3. Các điểm đo (Measuring Point) được bố trí thích hợp trên các đoạn ống nối. Bảng 3.2 thể hiện chi tiết các phần tử để hoàn thiện mô hình.
Hình 3.4 đến Hình 3.7 thể hiện giao diện các màn hình khai báo các thông số cơ bản của các phần tử như xy lanh, biên dạng cam nạp và thải, góc đánh lửa sớm.
Bảng 3.2. Số lượng các phần tử để hoàn thiện mô hình
TT Tên phần tử Ký hiệu Số lượng
1 Điều kiện biên (System Boundary) SB 2
2 Lọc khí (Air Cleaner) CL 1
3 Cản dòng (Restriction) R 3
4 Vòi phun (Injector) I 1
5 Xylanh (Cylinder) C 1
6 Bình tiêu âm (Plenum) PL 1
7 Điểm đo (Measuring Point) MP 8
8 Đường ống (Pipe) - 8
34
Hình 3.5. Cửa sổ khai báo thông số của xylanh
35
Hình 3.7. Cửa sổ khai báo biên dạng cam thải (nạp)
36
Hình 3.9. Cửa sổ điều khiển các trường hợp tính toán
3.2.2. 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%.
37
3.3. Kết quả và bàn luận
3.3.1. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến mô men và công suất động cơ
Hình 3.10. 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%.)
Dựa vào đồ thị Hình 3.10 và Hình 3.11 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.
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 sớm thay đổi từ 8 đến 300 TĐCT. Kết quả nhận được (Hình 3.12) 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
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
38
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 3.11. 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)
Hình 3.12. 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 300 TĐCT) 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 Cô n g su ất, N e (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 ss ur e[ 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]
39
Hình 3.13. 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 3.13).
3.3.2. So sánh kết quả mô phỏng với thông số của nhà sản xuất
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