Kết quả tính toán động cơ V12

7. Nội dung nghiên cứu

2.5.2. Kết quả tính toán động cơ V12

0 2 4 6 8 10 12 14 0 100 200 300 400 500 600 700 Độ (GQTK) Đ ộ n â n g x u p á p (m m )

Để làm cơ sở đánh giá động cơ V12 nguyên bản và động cơ V12 khi chuyển sang sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol, đồng thời hiệu chỉnh mô hình động cơ V12 theo các số liệu đã chọn cho độ chính xác. Kết quả tính toán các thông số nhiệt động động cơ V12 cụ thể như sau:

Bảng 2.3. Kết quả tính toán các chỉ tiêu công tác của động cơ V12

STT Thông số Giá trị

1 Brake Power [kW] Công suất có ích 388

2 Brake Power [HP] Công suất có ích 521

3 Brake Torque [N.m] Mô men xoắn có ích 1850 4 IMEP [bar] Áp suất chỉ thị trung bình 8,39 5 Air Flow Rate [kg/hr] Lưu lượng khí nạp 2430 6 BSAC [g/kW.h] Suất tiêu hao không khí có ích 6260 7 Fuel Flow Rate [kg/hr] Lưu lượng nhiên liệu 100 8 BSFC [g/kW.h] Suất tiêu hao nhiên liệu có ích 258

9 A/F Ratio Tỉ lệ không khí/nhiên liệu 24,3

10 Hệ số dư lượng không khí  1,69

11 Brake Efficiency [%] Hiệu suất có ích 32,5 Để hiệu chỉnh mô hình mô phỏng ta sử dụng đặc tính ngoài của nhà sản xuất để hiệu chỉnh.

- Kết quả tính toán và so sánh với số liệu của nhà sản xuất theo đặc tính ngoài động cơ V12 trong vùng làm việc (n = 1200  2000 [v/ph]) được trình bày trên bảng 2.4.

Bảng 2.4. Kết quả tính toán và so sánh với số liệu của nhà sản xuất theo đặc tính ngoài động cơ V12

Tốc độ quay trục Me-NSX [N.m] Me-TT [N.m] Sai số tương đối Me [%] Gnl-NSX [kg/h] Gnl-TT [kg/h] Sai số tương đối Gnl [%]

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn khuỷu - n [v/ph] 1200 2158,20 2310 7,03 67,20 67,80 0,89 1400 2118,96 2260 6,66 75,00 78,10 4,13 1600 2060,10 2160 4,85 82,00 87,10 6,22 1800 1962,00 2040 3,98 88,50 95,00 7,34 2000 1814,85 1850 1,94 96,00 100,00 4,17 Việc sử dụng các số liệu để hiệu chỉnh mô hình cho độ chính xác và tin cậy cao. Đặc biệt là chọn các thông số đặc trưng cháy theo mô hình Vibe, các thông số về mô hình truyền nhiệt Wolschni. Kết quả tính toán so với số liệu ban đầu của nhà chế tạo cung cấp; sai số đối với mô men xoắn có ích là 151,80 [N.m] tương ứng với sai số tương đối là 7,03%; đối với lượng nhiên liệu tiêu thụ là 6,5 [kg/h] tương ứng với sai số tương đối là 7,34%. Trên cơ sở mô hình chính xác có thể tiến hành khảo sát, đánh giá các chỉ tiêu công tác của động cơ. Mục đích là xây dựng mô hình cho động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol, giảm thiểu được các sai số, bảo đảm độ tin cậy.

Để thiết lập được mô hình này, cần xây dựng phần tử vòi phun ethanol vào đường nạp và thiết lập các thuộc tính của nhiên liệu được phun. Phần tử vòi phun ethanol vào đường nạp, mô hình 1 nhánh đường ống nạp sau khi bố trí thêm vòi phun ethanol lần lượt được giới thiệu trên hình 2.8 và hình 2.9.

Hình 2.8. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử vòi phun ethanol vào đường nạp của động cơ

Hình 2.9. Mô hình 1 nhánh cụm đường ống nạp động cơ V12 khi thiếp lập mô hình chạy lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol 2.6. Kết luận chương 2

Trên cơ sở nội dung đã trình bày ở trên, có thể rút ra một số kết luận chính của chương như sau:

- Xây dựng được các mô hình thành phần của động cơ diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol bao gồm: mô hình trao đổi khí (nạp - thải); mô hình hệ thống cung cấp nhiên liệu; mô hình động lực học; mô hình ma sát; mô hình truyền nhiệt; và mô hình cháy.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

- Thông qua mô hình có thể giúp phân tích và hiểu rõ sự phức tạp ảnh hưởng của nhiều thông số khác nhau đến đặc tính, hiệu suất và phát thải của động cơ khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol.

- Có thể sử dụng mô hình động cơ này trong việc phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển; xây dựng bản đồ phun ethanol và bản đồ phun diesel trên toàn vùng làm việc của động cơ.

- Xây dựng được mô hình động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol theo phương pháp phun hơi ethanol vào đường nạp nhờ phần mềm GT-Power.

CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI ĐIỂM PHUN VÀ TỐC ĐỘ PHUN ETHANOL VÀO ĐƯỜNG NẠP

ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL V12 3.1. Đặt vấn đề

Như đã trình bày trong phần mở đầu và chương 2 của luận văn, mục đích của đề tài là xây dựng mô hình mô phỏng động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol bằng phần mềm GT-Power. Trên cơ sở mô hình, sẽ tiến hành khảo sát ảnh hưởng của thời điểm phun và tốc độ phun ethanol vào đường nạp đến các chỉ tiêu công tác của động cơ diesel V12 khi ethanol chia sẻ 30% về khối lượng với diesel khoáng.

3.2. Mô phỏng ảnh hưởng của thời điểm phun ethanol

Mô phỏng được thực hiện như sau: ứng với mức chia sẻ 30% về khối lượng với diesel khoáng, ta có lượng ethanol cần thiết phun vào đường nạp gọi là gct-[ethanol], cùng một lượng phun này ta tiến hành điều chỉnh thời điểm phun ethanol vào đường nạp (SOI_Ethanol) ứng với 6 thời điểm lần lượt là: -360; - 340; -320; -300; -270 và -240 [độ GQTK]. Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của các thời điểm phun ethanol tới các chỉ tiêu công tác của động cơ được phân tích chi tiết như dưới đây.

3.2.1. Ảnh hưởng của thời điểm phun ethanol tới các chỉ tiêu công tác của động cơ

 Ảnh hưởng tới nhiệt độ môi chất trong xi lanh

Ảnh hưởng của thời điểm phun ethanol đến nhiệt độ môi chất công tác được thể hiện trên hình 3.1. Thông qua các kết quả thể hiện trên đó, nhận thấy rằng nhiệt độ môi chất của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol có xu hướng giảm so với khi sử dụng diesel khoáng và sự sụt giảm nhiệt độ môi chất càng rõ rệt khi giảm thời điểm phun ethanol. Bên cạnh đó, điểm nhiệt độ đạt giá trị cực đại có xu hướng dịch chuyển về phía sau điểm chết trên (ĐCT) khi giảm thời điểm phun ethanol. Khi cùng một lượng ethanol chia sẻ với diesel khoáng, nếu phun ethanol càng muộn hơn thì nhiệt độ cực đại giảm càng mạnh, sự thay đổi lớn nhất là 120o khi thay đổi thời điểm bắt đầu phun ethanol từ - 3600 trước ĐCT thành -2400 trước ĐCT.

Hình 3.1. Diễn biến nhiệt độ môi chất trong xi lanh động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol khi thay đổi thời điểm phun ethanol vào đường nạp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Hình 3.2. Nhiệt độ cực đại môi chất công tác trong xi lanh động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol khi thay đổi thời điểm phun ethanol

 Ảnh hưởng tới áp suất môi chất trong xi lanh

Khi tiến hành thay đổi thời điểm bắt đầu phun ethanol vào đường nạp của động cơ, nhận thấy đều có chung ảnh hưởng đến diễn biến áp suất môi chất công tác như thể hiện trên hình 3.3. Khi thời điểm phun ethanol càng muộn thì dẫn tới áp suất trong xi lanh giảm càng mạnh so với khi động cơ dùng diesel khoáng, sự sụt giảm nhiều nhất diễn ra lân cận điểm áp suất đạt giá trị cực đại, tại các giai đoạn khác của chu trình công tác sự sụt giảm này là tương đối nhỏ. Khi thời điểm bắt đầu phun ethanol càng muộn thì thời điểm đạt giá trị áp suất cực đại càng dịch chuyển về phía sau ĐCT (áp suất đạt cực đại tại 9,9 độ GQTK khi SOI_Ethanol = -2400 và tại 6,4 độ GQTK khi SOI_Ethanol = -3600), nhưng sự dịch chuyển này tương đối ít so với nhiệt độ cực đại. Khi cùng một lượng ethanol chia sẻ, thời điểm bắt đầu phun thay đổi từ -3600 trước ĐCT thành - 2400 trước ĐCT thì áp suất cực đại giảm 16,37 bar.

1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200

Hình 3.3. Diễn biến áp suất môi chất trong xi lanh động cơ khi thay đổi thời điểm phun ethanol vào đường nạp

Hình 3.4. Áp suất cực đại trong động cơ lưỡng nhiên liệu diesel – ethanol khi thay đổi thời điểm phun ethanol

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Bên cạnh đó, khi thay đổi thời điểm bắt đầu phun ethanol thì tốc độ tăng áp suất trung bình đều có xu hướng giảm và thấp hơn so với khi động cơ sử dụng diesel như thể hiện trên hình 3.5.

Hình 3.5. Tốc độ tăng áp suất trung bình của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol khi thay đổi thời điểm phun ethanol

 Ảnh hưởng tới dòng nhiệt môi chất truyền cho thành vách buồng cháy

Kết quả về ảnh hưởng của thời điểm phun ethanol đến dòng nhiệt được thể hiện trên hình 3.6, các kết quả thể hiện trên hình cho thấy khi thời điểm phun ethanol càng muộn thì dòng nhiệt truyền cho thành vách buồng cháy càng giảm và sự giảm mãnh liệt nhất xung quanh điểm chết trên, ở các quá trình khác thì sự thay đổi là không đáng kể khi động cơ chỉ sử dụng nhiên liệu diesel.

3.155 2.589 2.354 2.112 1.868 1.64 1.55 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

Hình 3.6. Dòng nhiệt của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol khi thay đổi thời điểm phun ethanol vào đường nạp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Hình 3.7. Tốc độ tỏa nhiệt của môi chất động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol khi thay đổi thời điểm phun ethanol vào đường nạp

Qua hình 3.7 cho thấy tốc độ tỏa nhiệt của động cơ lưỡng nhiên liệu thấp hơn so với động cơ sử dụng nhiên liệu diesel nguyên bản, đặc biệt là khi thời điểm phun ethanol càng muộn. Điều này là do nhiên liệu ethanol có nhiệt trị thấp hơn nhiều so với nhiên liệu diesel khoáng. Ngoài ra, kết quả thể hiện trên hình 3.7 cho thấy khi thời điểm phun ethanol trong khoảng từ -3600 trước ĐCT đến -3000 trước ĐCT thì đường tốc độ tỏa nhiệt không thấy sự khác biệt rõ rệt, tuy nhiên sau thời điểm trên khi ta phun ethanol càng muộn thì tốc độ tỏa nhiệt càng giảm rõ rệt.

Hình 3.8. Quy luật cháy của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol khi thay đổi thời điểm phun ethanol vào đường nạp

Kết quả về quy luật cháy của nhiên liệu động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol khi thay đổi thời điểm phun ethanol được thể hiện trên hình 3.8. Qua các kết quả này, nhận thấy quy luật cháy của nhiên liệu thay đổi rất nhỏ so với khi động cơ chỉ sử dụng nhiên liệu diesel khoáng. Điều này có thể được giải thích là do thời điểm phun nhiên liệu diesel và lượng ethanol phun vào đường nạp không thay đổi nên không làm thay đổi các thời điểm cháy của nhiên liệu.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

3.2.2. Ảnh hưởng tới các chỉ tiêu phát thải của động cơ

 Ảnh hưởng tới thành phần phát thải CO2

Hình 3.9. Đặc tính phát thải CO2 động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol khi thay đổi thời điểm phun ethanol

Biến thiên phát thải CO2 khi thay đổi thời điểm phun ethanol so với trường hợp động cơ chạy diesel gốc tại cùng chế độ được thể hiện trên hình 3.9. Thông qua đó, nhận thấy khi thời điểm phun ethanol càng muộn thì lượng phát thải CO2 có xu hướng giảm đi, tuy nhiên khi thời điểm phun ethanol trong khoảng từ -3600 trước ĐCT đến -3000 trước ĐCT thì đặc tính phát thải CO2 không thấy sự khác biệt rõ rệt, nhưng sau thời điểm trên khi ta phun ethanol càng muộn thì đặc tính phát thải CO2 càng giảm rõ rệt.

 Ảnh hưởng tới thành phần phát thải NOx

Hình 3.10. Đặc tính phát thải NOx động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol khi thay đổi thời điểm phun ethanol

Biến thiên hàm lượng phát thải NOx theo thời điểm phun ethanol được thể hiện trên hình 3.10. Kết quả cho thấy, trong quá trình cháy giãn nở và quá trình thải thì sự phát thải NOx có sự thay đổi mạnh so với diesel khoáng, đặc biệt cùng một lượng phun ethanol nhưng khi phun muộn hơn thì phát thải NOx càng giảm mạnh, điều này có thể giải thích là do nhiệt độ môi chất trong xi lanh thấp hơn cho với các thời điểm phun còn lại.

3.3. Mô phỏng ảnh hưởng của tốc độ phun Ethanol

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

3.11. Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của các tốc độ phun ethanol khác nhau tới các chỉ tiêu công tác của động cơ được phân tích chi tiết như dưới đây.

Hình 3.11. Các tốc độ phun ethanol vào đường nạp động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol

3.3.1. Ảnh hưởng của tốc độ phun ethanol tới các chỉ tiêu công tác

 Ảnh hưởng tới nhiệt độ môi chất trong xi lanh

Ảnh hưởng của các tốc độ phun ethanol khác nhau tới nhiệt độ môi chất công tác được thể hiện trên hình 3.12. Thông qua các kết quả này, nhận thấy rằng so với diesel khoáng thì ở các tốc độ phun này nhiệt độ môi chất đều giảm, tuy nhiên ở 2 tốc độ phun 1 (Inj-Rate_1) và 2 (Inj-Rate_2) thì không có sự thay đổi, các tốc độ phun thấp hơn thì sự sụt giảm này là rõ ràng. Điều này có thể giải thích là do ở các tốc độ phun thấp hơn thì thời điểm phun kết thúc vào cuối quá trình nạp nên chất lượng bay hơi, hòa trộn với không khí không được tốt so với các tốc độ phun cao.

Hình 3.12. Diễn biến nhiệt độ môi chất công tác động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol theo các tốc độ phun ethanol khác nhau

 Ảnh hưởng tới áp suất môi chất trong xi lanh

Thông qua kết quả trên hình 3.13 nhận thấy rằng, sự thay đổi áp suất môi chất công tác của động cơ lưỡng nhiên liệu thấp hơn so với diesel khoáng và tập trung nhiều nhất xung quanh điểm áp suất đạt giá trị cực đại. Khi giảm tốc độ phun ethanol vào đường nạp, dẫn tới chất lượng phun ethanol và sự bay hơi hòa trộn giảm đi so với các tốc độ phun cao nên dẫn tới làm giảm áp suất cực đại trong xi lanh. Ngoài ra, tốc độ tăng áp suất trung bình không thay đổi quá nhiều như khi điều chỉnh thời điểm bắt đầu phun ethanol trong khi giữ nguyên tốc độ phun.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Hình 3.13. Diễn biến áp suất môi chất công tác trong xi lanh động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol theo các tốc độ phun ethanol khác nhau

 Ảnh hưởng tới dòng nhiệt

Hình 3.14. Dòng nhiệt của động cơ khi thay đổi tốc độ phun ethanol vào đường nạp

Cũng giống như ảnh hưởng của thời điểm phun ethanol tới dòng nhiệt, khi thay đổi tốc độ phun ethanol thì dẫn tới sự giảm dòng nhiệt trong động cơ. Tuy nhiên, sự sụt giảm này cũng chỉ diễn ra xung quanh ĐCT trong thời điểm đầu của quá trình cháy giãn nỡ. Và sự thay đổi này không nhiều so với ảnh hưởng của thời điểm phun ethanol.

 Ảnh hưởng tới tốc độ tỏa nhiệt của môi chất trong xi lanh

Diễn biến của tốc độ tỏa nhiệt của môi chất trong xi lanh khi khảo sát theo các tốc độ phun ethanol khác nhau được thể hiện chi tiết trên hình 3.15.

Các biện pháp giảm phát thải độc hại

Giới thiệu chung về phần mềm GT-Power