VII. Bố cục luận án
3.4.1. Ảnh hưởng của các thông số kết cấu và vận hành đến trị số ốc tan yêu cầu
cầu
3.4.1.1. Ảnh hưởng của tỷ số nén đến trị số ốc tan yêu cầu
Hình 3.15. Ảnh hưởng tỷ số nén đến trị số Ốc-tan yêu cầu
Hình 3.15 trình bày các kết quả ON thu được khi thay đổi tốc độ của động cơ ở điều kiện áp suất phun CNG trên đường ống nạp và lambda được duy trì tại các giá trị lần lượt là Pf = 1 bar và λ = 1, hình dạng hình học buồng cháy không thay đổi so với động cơ diesel nguyên bản (Piston shape: Flat), góc đánh lửa được điều chỉnh để đạt được mô men lớn nhất (IT = MBT), bướm gió được mở hoàn toàn để giảm tổn thất trên đường nạp. Do giá trị ON của nhiên liệu khí thiên nhiên là 130 nên các kết quả nghiên cứu thu được chỉ sử dụng với những trị số Ốc-tan yêu cầu (ON < 130.
Để làm rõ hơn ảnh hưởng của tốc độ đến ε giới hạn cần phải xác định được vùng làm việc có ε không xảy ra kích nổ và có xảy ra kích nổ
Hình 3.16 thể hiện ε giới hạn của động cơ diesel sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên, khi tăng tốc độ động cơ từ 1000 vòng/phút đến 2200 vòng/phút, vùng ε có giá trị ON<130 đã được mở rộng hơn. Nhận xét này được minh chứng bằng các kết quả nghiên cứu thu được tại 1000 vòng/phút và 1200 vòng/phút, ε = 13 đòi hỏi nhiên liệu phải có trị số ON>130. Tuy nhiên, khi động cơ làm việc trong khoảng từ 1400 vòng/phút đến 2200 vòng/phút, động cơ có thể thay đổi tỷ số nén đến những
tỷ số nén nhỏ hơn hoặc bằng 16 mà không phải tăng ON lên quá 130. Từ kết quả thu được trên hình vẽ 3.16 có thể thấy rằng trong khoảng 1000 ÷ 1200 vòng/phút, ε của động cơ không được lớn hơn 13, trong trường hợp ε ≥ 13 thì độ động cơ phải làm việc ở n ≥ 1400 vòng/ phút. Nếu ε của động cơ trong khoảng từ ε = 14 đến
ε <16, động cơ phải làm việc ở n = 1600 ÷ 2200 vòng/phút.
Hình 3.16. Ảnh hưởng tỷ số nén đến vùng làm việc của của động cơ
Quan sát các kết quả thu được trên hình vẽ có thể thấy rằng, trị số Ốc-tan yêu cầu có xu hướng giảm khi tốc độ động cơ tăng ở mỗi tỷ số nén. Ngược lại tại mỗi tốc độ động cơ, giá trị ON lại có xu hướng tăng khi tỷ số nén tăng, xu hướng này chỉ ra cho thấy rằng động cơ diesel khi chuyển đổi thành động cơ khí thiên nhiên cần phải giảm tỷ số nén để tránh xảy ra hiện tượng cháy bất thường khi động cơ làm việc ở vùng tốc độ thấp.
Đối với động cơ khí thiên nhiên, giải pháp để giảm giá trị ON hiệu quả đó là động cơ làm việc ở tốc độ cao. Bởi vì, khi tăng tốc độ sẽ tăng được số lần nạp môi chất mới vào trong xylanh động cơ ở cùng một đơn vị thời gian, môi chất mới này có nhiệt độ thấp hơn rất nhiều so với nhiệt độ ở bên trong buồng cháy nên sẽ hấp thụ và làm giảm nguy cơ xuất hiện các nguồn cháy tự động. Tuy nhiên để xem xét thêm ảnh hưởng của điều kiện làm việc đến ON, nghiên cứu tiếp theo sẽ xem xét ảnh hưởng của lượng nhiên liệu nạp thông qua hệ số dư lượng không khí (lambda: λ) đến ON tại một tốc độ động cơ.
3.4.1.2. Ảnh hưởng của lambda đến trị số ốc tan yêu cầu
Hình 3.17 thể hiện các kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của lambda (λ) đến giá trị ON, trong nghiên cứu này chỉ có một thay đổi so với ban đầu là tốc độ động cơ cố định tại n = 2200 vòng/phút và lambda thay đổi từ giá trị λ = 0,8 đến λ = 1,2 với bước thay đổi Δλ = 0,1.
Hình 3.17. Ảnh hưởng của lambda đến trị số Ốc-tan yêu cầu
Các kết quả thu được cho thấy sự thay đổi của ON khi lambda tăng là giống nhau với mỗi tỷ số nén, lambda tăng trong khoảng từ λ = 0,8 đến λ = 1 giá trị ON có xu hướng tăng và đạt cực trị tại λ = 1, nhưng nếu lambda lớn hơn λ = 1 thì ON lập tức có xu hướng giảm. Nguyên nhân làm giảm ON chủ yếu là do nhiệt độ trong buồng cháy giảm, nhưng nguồn gốc làm giảm nhiệt độ lại là do sự thiếu hụt Ô-xi cần thiết cho phản ứng cháy (khi λ < 1) hoặc thiếu nhiên liệu khi động cơ làm việc với λ > 1.
Từ các kết quả thu được của hai nghiên cứu trên có thể khẳng định rằng, để giảm giá trị ON yêu cầu động cơ diesel chuyển đổi thành động cơ CNG cần phải giảm tỷ số nén (ɛ) để làm việc an toàn trong vùng n = 1000 – 2200 vòng/phút, nếu tỷ số nén của động cơ CNG chuyển đổi cao thì cần phải mở rộng vùng làm việc ở tốc độ động cơ lớn hơn tốc độ định mức của động cơ diesel và lambda sẽ phải lớn hơn λ = 1,1.
3.4.1.3. Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến trị số ốc tan yêu cầu
Hình 3.18. Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến trị số Ốc-tan yêu cầu
Hình 3.18 là các kết quả của ON thu được khi thay đổi tốc độ động cơ trong trường hợp giảm tỷ số nén về ɛ = 10. Mặc dù động cơ làm việc ở ba giá trị lambda khác nhau (λ= 0,8, λ = 1 và λ = 1,2) nhưng giá trị ON đều có chung xu hướng giảm khi tốc độ động cơ tăng. Tuy nhiên, điều khiển động cơ làm việc ở vùng tốc độ cao với lambda lớn hơn λ = 1 không những giảm được giá trị ON mà còn tăng hiệu suất nhiệt của động cơ. Giảm ON bằng cách tăng lambda lớn hơn λ = 1 hiệu quả hơn so với tăng tốc độ động cơ, nguyên nhân giảm được ON sẽ được tìm hiểu về sự thay đổi của hệ số khối lượng nhiên liệu đã cháy theo góc quay trục khuỷu đối với cả ba giá trị lambda.
Hình 3.19. Sự thay đổi của tốc độ cháy theo góc quay trục khuỷu
Để loại bỏ ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến quá trình cháy, tốc độ động cơ được cố định tại n = 1000 vòng/phút đối với cả ba giá trị lambda (λ= 0,8; λ = 1 và λ = 1,2). Hệ số khối lượng nhiên liệu đã cháy giống như một hàm số với biến số là góc quay trục khuỷu, mặc dù lượng nhiên liệu cấp vào cho mỗi chu trình là khác nhau nhưng xu hướng thay đổi là giống nhau (hình 3.19).
Thời gian cần thiết để đốt cháy lượng nhiên liệu được nạp vào trong xylanh động cơ của λ = 1 ngắn nhất khoảng 53 độ góc quay trục khuỷu (từ
= 398 độ). Trong khi đó với λ = 1,2 thời gian để đốt cháy lượng nhiên liệu đã được nạp vào trong xylanh là 93 độ góc quay trục khuỷu (tương ứng góc quay trục
khuỷu từ α
= 345 độ đến thiếu Ôxi của λ = 0,8, thời gian để đốt cháy lượng nhiên liệu trong xylanh là dài
nhất so với hai trường hợp trên, từ α = 345 độ đến α = 468 độ (tương ứng là 123 độ góc quay trục khuỷu).
Kết quả này cho thấy λ = 0,8, từ kết quả này có thể suy ra giá trị ON phụ thuộc vào giá trị λ của động cơ làm việc. Để làm rõ hơn cần phải xem xét đến khả năng giải phóng nhiệt đối với ba trường hợp lambda này.
Hình 3.20. Tốc độ giải phóng nhiệt thay đổi theo góc quay trục khuỷu
Quan sát kết quả thu được trên hình 3.20 có thể thấy rằng xu hướng thay đổi của tốc độ giải phóng nhiệt theo góc quay trục khuỷu là như nhau đối với cả ba giá trị lambda nghiên cứu. Tốc độ giải phóng nhiệt ở bên trong xylanh động cơ tăng dần từ khi bugi bật tia lửa điện và đều đạt giá trị cực đại ở sau điểm chết chên, ngay sau đó tốc độ giải phóng nhiệt ở bên trong xylanh giảm rất nhanh. Do có sự khác nhau về tỷ lệ giữa không khí và nhiên liệu nên nhiệt lượng được giải phóng từ quá trình đốt cháy là khác nhau, với λ = 1 có nghĩa rằng lượng ôxi cần thiết có trong hỗn hợp là vừa đủ để dễ dàng thực hiện phản ứng ô-xi hoá nhiên liệu, kết quả là nhiệt lượng toả ra cao hơn so với hai trường hợp lambda còn lại (λ= 0,8 và λ = 1,2).
Kết quả này chỉ ra cho thấy tốc độ giải phóng nhiệt ở bên trong xylanh động cơ (HRR) không phụ thuộc hoàn toàn vào lượng nhiên liệu hoặc không khí nạp vào trong xylanh động cơ mà chỉ phụ thuộc vào điều kiện để thực hiện phản ứng cháy dễ dàng. Kết luận này được minh chứng rõ ràng bởi trường hợp λ = 0,8, lượng nhiên liệu nạp vào trong xylanh động cơ là lớn hơn so với λ = 1 và λ = 1,2, tuy nhiên nhiệt lượng được giải phóng ra trong đường hợp λ = 0,8 là thấp nhất. Nguyên nhân có thể suy ra trong trường hợp này là do thiếu ôxi đã làm cản trở quá trình chuyển từ hoá năng của nhiên liệu thành nhiệt năng.
Từ các kết quả thu được ở trên có thể suy ra được rằng để giảm ON khi chuyển đổi từ động cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên cần phải giảm tỷ số nén về ɛ = 10 để động cơ làm việc an toàn trong vùng tốc độ của động cơ diesel
nguyên bản (n = 1000 vòng/phút đến n = 2200 vòng/phút), trong quá trình làm việc để giảm ON các thông số điều chỉnh cần duy trì ở những giá trị λ ≥1, thêm vào đó cần xem xét và duy trì động học dòng khí bên trong xylanh động cơ thật tốt để cải thiện nhược điểm cháy chậm của nhiên liệu khí thiên nhiên.
3.4.1.4. Ảnh hưởng của thông số kết cấu đến trị số ốc tan yêu cầu
Các nghiên cứu trước đây đã khẳng định rằng hình dạng buồng cháy ảnh hưởng rất nhiều đến tốc độ giải phóng nhiệt của nhiên liệu ở bên trong buồng cháy động cơ [16]. Nhiệt độ bên trong xylanh động cơ tại thời điểm gần cuối quá trình cháy thay đổi rất nhanh [17], nguyên nhân làm tăng tốc độ giải phóng nhiệt được chỉ ra là do động năng rối (TKE) của dòng môi chất được cải thiện khi piston tiến gần sát đến điểm chết trên.
Hình 3.21. Động năng rối (TKE) thay đổi theo góc quay trục khuỷu (CA)
Hình 3.21 trình bày các kết quả thu được về động năng rối ở quá trình cháy đối với bốn hình dạng đỉnh piston khác nhau (Flat, Heron 1, Heron 2 và Heron 3) theo góc quay trục khuỷu. Trong khoảng từ
hình vẽ, lúc này piston đang di chuyển gần đến điểm chết trên (CA = 360 (độ)), động năng rối (TKE) của piston đỉnh phẳng (Flat) có xu hướng giảm trong khi đó giá trị TKE của cả ba đỉnh piston còn lại (Heron 1, Heron 2 và Heron 3) đều có xu hướng tăng.
Kết quả này đã chứng minh rằng động năng rối của dòng khí ở gần cuối giai đoạn cháy đã được cải thiện đáng kể so với piston đỉnh phẳng. Nguyên nhân làm thay đổi giá trị TKE trong trường hợp này là do hình dạng của đỉnh piston lõm xuống nên đã kiểm soát được sự xuất hiện của squish ở cuối kỳ nén.
Sự xuất hiện của squish là do khối khí nằm ở giữa nắp máy và đỉnh piston bị nén lại khi piston chuyển động hướng về điểm chết trên. Vận tốc squish lúc này rất
lớn và có xu hướng đi vào bên trong phần thể tích lõm trên đỉnh piston. Vì vậy mà giá trị TKE của cả ba hình dạng đỉnh piston (Heron 1, Heron 2 và Heron 3) vẫn còn tiếp tục tăng trong khoảng
hướng xuống điểm chết dưới. Từ các kết quả thu được này có thể thấy được rằng động học của dòng khí bên trong xylanh đã được tăng lên ở giai đoạn cháy chính so với piston đỉnh phẳng.
Hình 3.22. Tỷ lệ nhiên liệu được đốt cháy theo góc quay trục khuỷu
Hệ số khối lượng nhiên liệu đã cháy (MFB) trong mỗi chu kỳ làm việc của động cơ được chuẩn hóa với thang đo từ 0 đến 1, lượng nhiên liệu đã đốt cháy này được sử dụng để mô tả quá trình giải phóng hóa năng của nhiên liệu theo góc quay trục khuỷu.
Hình 3.22 trình bày sự thay đổi về tỷ lệ nhiên liệu được đốt cháy theo góc quay trục khuỷu đối với bốn hình dạng đỉnh piston khác nhau. Quá trình cháy ở động cơ cháy cưỡng bức được chia thành ba giai đoạn chính cơ bản như sau: giai đoạn phát triển màng lửa, giai đoạn cháy chính và giai đoạn cháy sau. Giai đoạn đầu tiên đó là giai đoạn phát triển màng lửa được bắt đầu từ lúc xuất hiện tia lửa điện ở điện cực bugi, sau đó hình thành điểm lửa và bắt đầu phát triển màng lửa, hệ số khối lượng nhiên liệu đã cháy MFB = 0 - 10% [18]. Giai đoạn này tương đương với góc quay
trục khuỷu α
khuỷu từ α
= 355 – 370 (độ) và MFB đạt đến 90% khối lượng có trong xylanh, đây là giai đoạn tỏa nhiệt lớn nhất. Ở giai đoạn này nếu kiểm soát được động năng rối
của dòng khí bên trong xylanh động cơ thì nhiệt lượng được tỏa ra lớn nhất. Giai đoạn cháy sau hay còn gọi là cháy kết thúc chỉ có khoảng 10% khối lượng nhiên liệu còn lại tiếp tục được đốt cháy, lúc này do piston di chuyển hướng xuống điểm
chết dưới nên thể tích buồng cháy tăng lên, động học của dòng khí bên trong xylanh động cơ giảm.
Quan sát kết quả thu được trên hình có thể nhận thấy rằng ở giai đoạn phát triển màng lửa và giai đoạn cháy sau ảnh hưởng của hình dạng đỉnh piston đến MFB là không nhiều bởi vì vận tốc squish nhỏ. Ảnh hưởng của hình dạng đỉnh piston lại thể hiện rất rõ ở giai đoạn cháy chính, trong khoảng α = 355 – 370 (độ), do động năng rối (TKE) của piston đỉnh phẳng (Flat) nhỏ hơn so với cả ba hình dạng đỉnh piston còn lại nên thời gian cháy chính dài hơn.
.
Hình 3.23. Tốc độ giải phóng nhiệt thay đổi theo góc quay trục khuỷu
Hình 3.23 trình bày các kết quả thu được ở cùng điều kiện làm việc đối với bốn hình dạng đỉnh piston khác nhau, sự thay đổi tốc độ giải phóng nhiệt theo góc quay trục khuỷu có hình dạng tương đối khác nhau.
Ảnh hưởng của hình dạng buồng cháy còn được thể hiện rõ ở giai đoạn cháy chính, lượng nhiên liệu được tập trung để tham gia phản ứng cháy nên tốc độ giải phóng nhiệt của ba piston (Heron 1, Heron 2 và Heron 3) lớn hơn so với piston đỉnh phẳng (Flat). Sự gia tăng tốc độ chuyển đổi từ hoá năng nhiên liệu thành nhiệt năng sẽ làm cho nhiệt độ ở bên trong buồng cháy tăng lên, vì vậy trị số Ốc-tan yêu cầu sẽ tăng. Trong trường hợp cùng một điều kiện làm việc giống nhau như tỷ số nén ɛ = 10, tốc độ động cơ giữ cố định tại n = 1000 vòng/phút, áp suất phun nhiên liệu khí thiên nhiên Pf = 1 bar, lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình được giữ nguyên không đổi.
Kết quả về trị số Ôc-tan yêu cầu đối với cả bốn hình dạng đỉnh piston đều có xu hướng tăng giống nhau khi thời điểm đánh lửa được điều chỉnh sớm lên (góc đánh lửa có xu hướng rời xa điểm chết trên).
Hình 3.24. Ảnh hưởng thời điểm đánh lửa đến trị số Ốc-tan yêu cầu
Kết quả thu được ở trên hình 3.24 cho thấy, tại mỗi thời điểm đánh lửa (IT), giá trị Ốc-tan yêu cầu (ON) của piston đỉnh phẳng luôn thấp hơn so với ba hình dạng đỉnh piston còn lại khi thời điểm đánh lửa được điều chỉnh sớm hơn. Kết quả này minh chứng rằng ảnh hưởng của hình dạng đỉnh piston đến giá trị ON là rất lớn, bởi vì cải thiện được chuyển động của dòng môi chất ở giai đoạn cháy chính bằng cách kiểm soát được vận tốc squish ở cuối kỳ nén nên lượng nhiên liệu đã được đốt cháy và tốc độ giải phóng nhiệt trong một đơn vị thời gian được tăng lên rất nhanh. Do vậy với cùng một lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình và hình dạng buồng cháy phức tạp hơn nhưng giá trị ON yêu cầu của ba hình dạng đỉnh piston (Heron 1, Heron 2 và Heron 3) vẫn lớn hơn, nguy cơ xuất hiện cháy bất thường cao hơn ở cùng một thời điểm đánh lửa.
Để làm rõ hơn mức độ ảnh hưởng của thông số hình học nào đến tốc độ giải phóng nhiệt của nhiên liệu ở bên trong xylanh động cơ. Nghiên cứu tiếp theo sẽ