VII. Bố cục luận án
3.4.4. Ảnh hưởng của hình dạng buồng cháy đến mômen và công suất
Hình 3.36 thể hiện sự thay đổi của mô men theo tốc độ động cơ với bốn trường hợp cụ thể là độ sâu Hb của đỉnh piston, với điều kiện chạy mô phỏng: góc đánh lửa được thay đổi sao cho đạt được mô men lớn nhất, vị trí bướm ga được giữ nguyên tại vị trí mở hoàn toàn (100%), hệ số dư lượng không khí lambda được duy trì tại λ = 1.
Từ các kết quả mô phỏng có thể thấy được rằng mỗi một giá trị Hb mô men của động cơ đều có xu hướng thay đổi giống nhau khi tăng tốc độ động cơ. Tuy nhiên khi tăng giá trị Hb > 0 và tăng tốc độ động cơ, các giá trị mô men tại mỗi tốc độ khảo sát đều lớn hơn so với Hb = 0 và giá trị mô men lớn nhất của Hb = 10; 17,5 và 25 đều tập trung tại 2000 vòng/phút. Khi tốc độ động cơ thay đổi trong khoảng từ 1000 vòng/phút đến 2400 vòng/phút, giá trị mô men (Me) của Hb = 17,5 luôn luôn lớn hơn so với các giá trị Hb khác. Tại số vòng quay định mức của động cơ (n = 2200 vòng/phút), giá trị của Me vẫn lớn hơn so với mô men lớn nhất (Me max) của Hb = 0 ở n= 1400 vòng/phút, tại n = 1400 vòng/phút mô men của Hb = 0 nhỏ hơn so với các giá trị Hb khác.
Từ các kết quả trên có thể thấy rằng ảnh hưởng của độ sâu trên đỉnh piston (Hb) đến mô men động cơ là rất lớn, diện tích trên đỉnh piston thay đổi đã làm tăng các chất tham gia phản ứng ô xi hóa trong xylanh động cơ nhờ vậy mà đặc tính mô men của động cơ đã được cải thiện. Để làm rõ hơn ảnh hưởng của diện tích đỉnh piston cần xem xét các kết quả nghiên cứu công suất động cơ (Ne) khi tốc độ thay đổi.
Hình 3.37. Ảnh hưởng Hb đến công suất
Hình 3.37 thể hiện sự thay đổi của công suất theo tốc độ động cơ ở cùng điều kiện mô phỏng giống như mô men bên trên. Nhìn chung sự biến đổi của công suất theo tốc độ động cơ đối với bốn giá trị Hb khác nhau đều có chung một xu hướng thay đổi như nhau. Khi tốc độ động cơ tăng, công suất có xu hướng tăng đến giá trị
cực đại, sau đó công suất có xu hướng giảm ở các giá trị tốc độ lớn hơn. Giá trị công suất lớn nhất tìm thấy tại tốc độ n = 1800 (vòng/phút) khi Hb = 0, trong trường hợp Hb > 0 giá trị công suất lớn nhất đều tập trung tại tốc độ n = 2200 vòng/phút. Từ các kết quả này có thể thấy được rằng, công suất động cơ tỉ lệ thuận với tốc độ động cơ, do đó khi tốc độ động cơ tăng cũng làm cho công suất động cơ tăng theo. Tuy nhiên, khi tốc độ động cơ tăng quá cao sẽ làm tăng tổn thất vì vậy công suất động cơ có xu hướng giảm sau khi đã đạt giá trị lớn nhất.
Quan sát trên hình vẽ có thể thấy rằng công suất của Hb = 0 luôn luôn nhỏ hơn so với các giá trị Hb còn lại ở mọi tốc độ động cơ, thêm vào đó tốc độ của động cơ có thể tăng lên đến n = 2400 vòng/phút mà công suất động cơ vẫn lớn hơn so với Nemax của Hb = 0. Các kết quả này sẽ là một minh chứng làm rõ hơn nữa về ảnh hưởng của Hb đến các thông số vận hành của động cơ và nguyên nhân làm thay đổi giá trị công suất tại mỗi tốc độ động cơ là do cải thiện được chất lượng hòa trộn của hỗn hợp trước và trong suốt quá trình cháy.
Để làm rõ hơn nguyên nhân này, nghiên cứu tiếp theo sẽ được thực hiện ở điều kiện mô men (Me) không đổi, tiến hành xem xét sự thay đổi tốc độ của động cơ và thời gian đốt cháy hỗn hợp để sinh công ở bốn giá trị Hb khác nhau.
Hình 3.38. Ảnh hưởng Hb tới thời gian cháy và tốc độ động cơ
Hình 3.38 có thể thấy rằng khi độ sâu của lõm trên đỉnh piston tăng, cả tốc độ của động cơ (n vòng/phút) và thời gian cháy (c) đều có hình dạng biến đổi gần giống
nhau. Độ sâu của lõm trên đỉnh piston (Hb) ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ của động cơ, với cùng một giá trị mô men động cơ có thể làm việc ở nhiều tốc độ khác nhau.
Từ các kết quả thu được như trên hình vẽ có thể nhận thấy ảnh hưởng của độ sâu Hb đến một trong những thông số vận hành (n vòng/phút) là rất lớn. Khi độ sâu của lõm trên đỉnh piston (Hb) tăng đến Hb = 25, tốc độ động cơ được mở rộng đến n = 2400 vòng/phút mà mô men vẫn không thay đổi so với mô men lớn nhất tại Hb = 0.
Đối với thời gian cháy, ở cùng một giá trị mô men nhưng ảnh hưởng của độ sâu lõm trên đỉnh piston Hb là rất lớn, thời gian cháy được giảm xuống khi độ sâu của lõm trên đỉnh piston tăng từ Hb = 0 đến Hb = 17,5 và sau đó thời gian cháy (c) có xu hướng tăng khi độ sâu trên đỉnh piston lớn hơn Hb = 17,5. Tại Hb = 17,5 thời gian cháy đạt giá trị của nhỏ nhất trong vùng khảo sát và Hb = 25 thời gian cháy có xu hướng tăng lên nhưng giá trị cvẫn nhỏ hơn so với Hb = 0.
Các kết quả này đã chỉ ra cho thấy Hb ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian cháy nhờ vậy mà các thông số vận hành đã được cải thiện.
Hình 3.39. Ảnh hưởng của Hb đến góc đánh lửa sớm
Hình 3.39 trình bày các kết quả thu được ở điều kiện λ = 1 và bướm ga mở hoàn toàn, để đạt được mô men lớn nhất góc đánh lửa sớm của động cơ có xu hướng tăng khi tăng tốc độ động cơ. Ngay cả khi tăng Hb, góc đánh lửa sớm cũng có cùng xu hướng giống như khi tăng tốc độ động cơ. Tại mỗi tốc độ cố định, góc đánh lửa sớm có xu hướng giảm khi tăng giá trị Hb. Như vậy có thể thấy rằng độ sâu của buồng cháy trên đỉnh piston có ảnh hưởng đến góc đánh lửa sớm là mạnh hơn so với tốc độ động cơ.
Nguyên nhân làm nên sự khác biệt này là do động năng của dòng môi chất trong xylanh đã được tăng lên khi Hb tăng. Để làm rõ hơn về vấn đề này, nghiên cứu tiếp theo sẽ được thực hiện ở điều kiện giữ cố định tốc độ của động cơ (n) và lượng
Hình 3.40. Ảnh hưởng của Hb đến thời gian cháy và mô men
Hình 3.40 thể hiện thời gian cháy (c) của hỗn hợp bên trong xylanh động cơ và mô men của động cơ (Me) theo độ sâu của lõm trên đỉnh piston (Hb) ở điều kiện chạy mô phỏng: Tốc độ động cơ giữ cố định tại n = 1400 vòng/phút, lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình cố định tại Gnl = 0,58 (g/s), đường kính phần khoét lõm trên đỉnh piston được giữ không đổi Db = 66.
Khi độ sâu Hb tăng, thời gian cháy và mô men của động cơ có cùng xu hướng những thay đổi không giống nhau, thời gian cháy giảm xuống và đạt giá trị nhỏ nhất tại Hb = 17,5, sau đó lại có xu hướng tăng lên khi Hb có giá trị lớn hơn. Thời gian cháy tại Hb = 17,5 giảm được khoảng 1,6 lần so với thời gian cháy tại Hb = 0.
Kết quả này đã chỉ ra rằng động học của dòng môi chất (nhiên liệu và không khí) bên trong xylanh động cơ đã được tăng lên đáng kể, vì vậy cùng một lượng nhiên liệu đưa vào có thể đốt cháy trong một khoảng thời gian ngắn hơn. Do rút ngắn được thời gian đốt cháy hỗn hợp bên trong xylanh nên có thể giảm được thổn thất nhiệt truyền cho piston và nắp máy. Tuy nhiên hiện tượng tổn thất nhiệt truyền cho piston sẽ bắt đầu tăng khi Hb lớn hơn 17,5 vì vậy mà mô men, công suất, hiệu suất nhiệt có xu hướng giảm và suất tiêu hao nhiên liệu có xu hướng tăng. Để làm rõ hơn hiện tượng tổn thất nhiệt này, phân tích tiếp theo sẽ được thự hiện bởi sự thay đổi của áp suất trong xylanh động cơ theo góc quay trục khuỷu.
Hình 3.41. Ảnh hưởng của Hb đến áp suất trong xylanh
Hình 3.41 biểu diễn các đường áp suất trong xylanh theo góc quay trục khuỷu ứng với mỗi độ sâu Hb của đỉnh piston ở điều kiện chạy mô phỏng. Các đường áp suất có sự thay đổi rõ rệt ở cuối quá trình nén và ở quá trình cháy-giãn nở. Khi Hb tăng, áp suất trong xylanh động cơ đạt giá trị lớn nhất sau điểm chết trên khoảng 13 độ góc quay trục khuỷu, giá trị áp suất lớn nhất trong xylanh tăng khi giá trị Hb tăng. Từ kết quả thu được ở cùng điều kiện nghiên cứu có thể khẳng định rằng chất lượng của quá trình cháy đã được cải thiện đáng kể là do sự thay đổi độ sâu của đỉnh piston (Hb).
Tuy nhiên, khi tăng Hb thì diện tích xung quanh buồng cháy cũng tăng lên và khả năng phần nhiệt bị mất đi do truyền cho thành buồng cháy sẽ lớn hơn so với phần nhiệt được tạo ra nhờ cường độ rối bên trong xylanh động cơ được cải thiện và tăng lên. Để làm rõ hơn cần xem xét ảnh hưởng của độ sâu đỉnh piston Hb đến tính kinh tế của động cơ.
Hình 3.42 thể hiện sự biến đổi của suất tiêu hao nhiên liệu ge của động cơ theo độ sâu theo tốc độ động cơ. Quan sát các kết quả thu đựơc trên hình vẽ có thể nhận thấy rõ rằng khi tốc độ động cơ tăng, suất tiêu hao nhiên liệu có xu hướng giảm đến giá trị nhỏ nhất và sau đó tăng khi tốc độ động cơ tăng. Tại mỗi tốc độ của động cơ, tăng Hb, suất tiêu hao nhiên liệu (ge) có xu hướng giảm dần và đạt giá trị nhỏ nhất tại Hb = 17,5, sau đó tăng khi Hb > 17,5 suất tiêu hao nhiên liệu có xu hướng tăng. Điều đặc biệt được tìm thấy ở kết quả này đó là ge nhỏ nhất được tìm thấy tại Hb = 17,5 mm và giảm được khoảng 1,4 % so với giá trị ge tại Hb = 0.
Kết quả của sự thay đổi này chính là do tốc độ cháy của hỗn hợp được tăng lên đồng thời tập trung được nhiều nhiên liệu tham gia vào phản ứng ô xi hóa khử.
Hình 3.42. Ảnh hưởng Hb đến suất tiêu hao nhiên liệu