Tổng quan nghiên cứu về động cơ đốt trong sử dụng khí thiên nhiên

VII Bố cục luận án

15 Tổng quan nghiên cứu về động cơ đốt trong sử dụng khí thiên nhiên

Hạn chế lớn nhất của động cơ sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên đó là khả năng dự trữ nhiên liệu hay nói cách khác đó là phạm vi hoạt động và công suất của xe so với nhiên liệu xăng và diesel Nguyên nhân dẫn đến hạn chế này chủ yếu là do: (1) Cơ sở hạ tầng và các dịch vụ hậu cần vẫn còn thiếu [22],[23] (2) Khả năng tiếp cận sâu với công nghệ sản xuất và lắp ráp động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên vẫn còn khó khăn

Nghiên cứu phát triển động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên cần phải đạt được đồng thời hai mục tiêu: hiệu suất nhiệt cao và thỏa mãn các tiêu chuẩn khí thải của nước sở tại Để đạt được mục tiêu này đòi hỏi các nhà khoa học và các nhà sản xuất trong lĩnh vực sản xuất động cơ đốt trong phải cải thiện được nhược điểm cố hữu của nhiên liệu khí thiên nhiên đó là tốc độ cháy chậm và khả năng mở rộng giới hạn cháy nghèo [24],[25] Để khắc phục được những nhược điểm này một số nghiên cứu tập trung vào cải thiện các quá trình động học của dòng môi chất ở bên trong xylanh động cơ, ở trước và trong quá trình cháy [26],[27],[28]

Một giải pháp kỹ thuật tương đối phổ biến theo định hướng về đa dạng nguồn cung nhiên liệu, giảm tiêu thụ gốc dầu mỏ (xăng, dầu diesel) và khí thải, đó là giải pháp giữ nguyên kết cấu động cơ, chỉ lắp thêm hệ thống cung cấp nhiên liệu khí thiên nhiên Đối với giải pháp này công suất phát ra từ trục khuỷu động cơ là do quá trình đốt cháy của cả nhiên liệu khí thiên và nhiên liệu xăng hoặc diesel Tuỳ thuộc vào động cơ gốc thuộc kiểu tự bốc cháy (diesel cycle) hay kiểu cháy cưỡng bức (Otto cycle) mà có tỷ lệ nhiên liệu khí thiên nhiên thay thế khác nhau Đối với động cơ gốc là diesel nhiên liệu khí thiên nhiên được cấp trên đường ống nạp và nguồn lửa là do nhiên liệu diesel quyết định Tuy nhiên loại động cơ này vẫn chưa thay thế hoàn toàn được nhiên liệu diesel, đặc tính làm việc của động cơ và khí thải còn nhiều vấn đề cần phải khắc phục đặc biệt là sự phù hợp với những tiêu chuẩn khí thải cao hơn [29]

Một giải pháp kỹ thuật khác tập trung vào mục đích thay thế hoàn toàn nhiên liệu xăng và diesel đã được thực hiện trên động cơ đốt cháy cưỡng bức và tự bốc cháy, mục tiêu của giải pháp này là tận dụng công nghệ sản xuất động cơ đốt trong sẵn có làm bước đệm để phát triển và hoàn thiện động cơ khí thiên nhiên thế hệ mới

đạt được hiệu suất nhiệt cao và thỏa mãn tiêu chuẩn khí thải khắt khe Hệ thống cung cấp nhiên liệu xăng hoặc diesel được thay thế bằng hệ thống nhiên liệu khí thiên nhiên có vòi phun đặt trên đường ống nạp, tuy nhiên với động cơ diesel sẽ phải lắp thêm hệ thống đánh lửa [30],[31]

So sánh các kết quả thu được thấy rằng kiểu động cơ tự bốc cháy sau khi chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên có hiệu suất nhiệt cao hơn so với động cơ cháy cưỡng bức là nhờ bố trí đường nạp trên nắp máy hiệu quả hơn nên cải thiện được động học của dòng khí ở quá trình nạp cao hơn [32] Tuy nhiên để động cơ khí thiên nhiên chuyển đổi từ động cơ diesel làm việc hiệu quả mà không xảy ra hiện tượng cháy bất thường như cháy kích nổ (knocking) cần phải hạ thấp tỷ số nén [33] Để làm rõ hơn nữa cần phải tìm hiểu thêm các công bố đã thực hiện ở trong và ngoài nước về chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ khí thiên nhiên, thông qua các nghiên cứu này có thể xác định được hướng nghiên cứu và đối tượng nghiên cứu phù hợp với điều kiện thực tế của nghiên cứu sinh ở Việt Nam

1 5 1 Các nghiên cứu ngoài nước

1 5 1 1 Chuyển đổi động cơ disel sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên

Ehsan và các cộng sự đã công bố nghiên cứu của mình dựa trên động cơ diesel công suất nhỏ còn làm việc tốt ở tốc độ ổn định với nhiên liệu khí thiên nhiên cấp bổ sung trên đường ống nạp như hình 1 2

Hình 1 2 Động cơ nhiên liệu liệu kép cỡ nhỏ sử dụng phương pháp hòa trộn

dễ thực hiện Lượng nhiên liệu khí thiên nhiên cấp trên đường ống nạp có thể thay thế diesel đến 88% khi tải ngoài đạt đến 90% [34]

Tuy nhiên nghiên cứu của Lim Pei Li lại cho rằng tăng lượng nhiên liệu khí thiên nhiên thay thế ở động cơ diesel sẽ xuất hiện tiếng gõ lớn hơn Để giải quyết vấn đề này Lim Pei Li đã đề xuất phương án giảm tỷ số nén của động cơ diesel xuống [35]

Cùng chung quan điểm với Lim Pei Li, nhiều nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng hoàn toàn khí thiên nhiên bằng cách gỡ bỏ hệ thống nhiên liệu diesel thay vào đó là hệ thống cấp khí thiên nhiên và hệ thống đánh lửa Nắp máy sẽ được gia công lại một chút ở vị trí lắp vòi phun nhiên liệu diesel cho phù hợp với việc lắp bugi đánh lửa Trong khi đó đường ống nạp của động cơ diesel sẽ được gia công lại để lắp vòi phun nhiên liệu khí thiên nhiên và tỷ số nén của động cơ sẽ điều chỉnh giảm xuống = 10 [36],[37],[38],[39],[40],[41] So với nhiên liệu diesel, nhiên liệu khí thiên nhiên có tốc độ cháy chậm hơn, khối lượng riêng nhẹ và thể tích riêng lớn vì vậy động cơ được chuyển đổi sang sử dụng hoàn toàn nhiên liệu khí thiên nhiên sẽ có mô men, công suất nhỏ hơn động cơ nguyên bản

1 5 1 2 Ảnh hưởng của hình dạng buồng cháy

Hình dạng buồng cháy đóng một vai trò rất quan trọng để kiểm soát sự vận động của dòng môi chất ở bên trong xylanh động cơ, nhờ vậy không chỉ cải thiện rất hiệu quả cho quá trình hòa trộn giữa không khí – nhiên liệu trong suốt quá trình nén mà còn kiểm soát được các quá trình giải phóng nhiệt và trao đổi nhiệt vì vậy rút ngắn được thời gian cháy ở động cơ đốt trong [42],[43]

Để nâng cao hiệu suất và mở rộng vùng làm việc cho động cơ diesel sử dụng đơn nhiên liệu CNG, đa số các nghiên cứu tập trung vào cải thiện quá trình cháy để rút ngắn được thời gian đốt cháy hỗn hợp bên trong buồng cháy [44],[45] Bởi vì thời gian cháy là một thông số rất quan trọng để đánh giá chất lượng của quá trình cháy, thời gian cháy quá ngắn làm cho quá trình cháy không hoàn thiện và không thể chuyển hoá năng lượng của nhiên liệu bên trong buồng cháy thành nhiệt năng [46] Ngược lại với thời gian cháy quá dài, hoá năng của nhiên liệu được chuyển thành nhiệt năng nhiều hơn nhưng thời gian của quá trình giải phóng và trao đổi nhiệt diễn ra dài hơn ở bên trong xylanh động cơ, vì vậy phần nhiệt lượng bị mất đi do truyền sang cho đỉnh piston, nắp máy, xylanh nhiều hơn [47]

Tối ưu hóa thiết kế hình dạng buồng cháy có thể làm giảm sự hình thành các chất khí thải ô nhiễm mà không ảnh hưởng đến đặc tính làm việc của động cơ [48] Đặc tính làm việc của một động cơ đốt trong phụ thuộc rất nhiều vào sự hình thành hỗn hợp trước và trong suốt thời gian cháy, sự vận động của dòng khí bên trong xylanh có thể coi là một dòng chảy rối có động năng thay đổi rất phức tạp Động năng của hỗn hợp trong xylanh động cơ thay đổi phụ thuộc chủ yếu vào hai thông số: tiết diện lưu thông cửa nạp và tốc độ dịch chuyển của piston [49]

Ban đầu động năng của hỗn hợp giữa nhiên liệu và không khí sẽ tăng dần lên khi kết thúc quá trình nạp, giá trị của động năng sẽ giảm rất nhanh khi piston đi được khoảng gần một phần ba hành trình ở kỳ nén [50] Giá trị động năng này lại tăng lên với cường độ rất cao khi piston của động cơ tiếp tục di chuyển hướng về điểm chết trên (TDC), tuy nhiên nếu tận dụng được động năng của dòng khí trong khoảng thời gian này sẽ cải thiện được đặc tính làm việc của động cơ

Để tận dụng được động năng dòng khí ở gần cuối kỳ nén cần phải có một hình dạng buồng cháy phù hợp, điều này có nghĩa rằng hiện tượng tiêu tán động năng dòng khí sẽ được kiểm soát thông qua vận tốc trung bình squish [51] Squish là chuyển động của dòng khí được phân chia theo hai hướng khác nhau, một hướng đi vào trục đường tâm xylanh và một hướng theo phương ngang, chuyển động này xảy ra vào cuối hành trình nén khi một phần của mặt piston và nắp máy tiến lại gần nhau Nếu vận tốc trung bình của squish tăng quá cao sẽ dẫn đến dập tắt ngọn lửa trong các lớp biên của vùng squish [52]

Để tận dụng được ưu điểm này và chuẩn bị tốt cho quá trình cháy cần phải có một hình dạng piston phù hợp để hướng cho dòng khí đến nguồn lửa với mật độ tập trung và cường độ khuếch tán phù hợp trong suốt quá trình cháy [53] Với một cường độ khuếch tán phù hợp sẽ làm tăng số lượng các chất tham gia vào phản ứng ôxi hóa, vì vậy không chỉ rút ngắn được thời gian cháy mà còn hạn chế được tổn thất nhiệt trong suốt quá trình cháy xảy ra ở bên trong xylanh động cơ và kết quả là sẽ nâng cao được hiệu suất nhiệt của động cơ [54]

Cường độ khuếch tán của dòng khí được đánh giá bởi thông số cường độ rối u’, khi cường độ rối u’ tăng sẽ tăng được tốc độ cháy khuếch tán ST, do đó khối lượng hỗn hợp được đốt cháy trong một đơn vị thời gian tăng (dmb/dt) [55] và đây chính là một trong những nhân tố chính làm tăng được Me và Ne của động cơ Nguyên nhân chính có thể tăng được cường độ rối ở trong xylanh của động cơ ở kỳ nén khi piston

đi lên điểm chết trên đó là hiện tượng hỗn hợp khí bị chèn ép lại giữa đỉnh piston và nắp máy [56] Đối với động cơ cháy cưỡng bức sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên, cường độ rối u’ phụ thuộc chủ yếu vào hai thông số kích thước của đỉnh piston: Đường kính phần khoét lõm Db và độ sâu phần khoét lõm Hb [57]

Để minh chứng cho sự ảnh hưởng của buồng cháy đến đặc tính làm việc của động cơ đã có nhiều công trình nghiên cứu mô phỏng, thử nghiệm như:

Tanaji Balawant Shinde và các cộng sự thực hiện nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ nhiên liệu khí thiên nhiên Từ phân tích các kết quả thu được nhóm nghiên cứu rút ra được kết luận rằng phải chuyển đổi hình dạng của đỉnh piston phù hợp với vị trí bugi đánh lửa và hình dạng đường nạp [58]

Flat

Square Nebula Tuarbine

Hemi Hemi16 Square 16 Cylinde Cone Cross

Hình 1 3 Sơ đồ hình dạng hình học của các buồng cháy

Johansson và các cộng sự đã sử dụng hệ thống laser quang học để tiến hành nghiên cứu về sự chuyển động của các hạt phân tử trong buồng cháy Tác giả đã sử dụng 10 piston có kết cấu đỉnh piston khác nhau (hình 1 3) để xem xét mối quan hệ giữa sự thay đổi của tốc độ giải phóng nhiệt với những thay đổi về chuyển động rối và vận tốc trung bình của dòng khí bên trong xylanh động cơ Kết quả nghiên cứu cho thấy đối với những động cơ sử dụng nhiên liệu khí cỡ trung bình, đặc tính

chuyển động của dòng hỗn hợp chịu ảnh hưởng nhiểu bởi hình dạng đỉnh piston Phần diện tích squish ảnh hưởng rất nhiều đến khả năng khuếch tán của các phân tử Đỉnh piston hình trụ sẽ hỗ trợ tốt hơn đối với quá trình cháy cưỡng bức [59]

Một số các nghiên cứu khác chỉ ra rằng ngoài hình dạng buồng cháy còn có tỷ số nén (ɛ), vị trí bugi đánh lửa và hình dạng đường nạp, cũng ảnh hưởng đến đặc tính của động cơ diesel chuyển đổi sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên

1 5 1 3 Ảnh hưởng của tỷ số nén

Tỷ số nén của động cơ đốt trong ký hiệu ε và là tỷ số giữa thể tích lớn nhất với thể tích nhỏ nhất ở trong xylanh động cơ [60] Giá trị của ε không được quá thấp mà cũng không được quá cao, nếu quá thấp sẽ gặp khó khăn khi thực hiện quá trình đốt cháy hỗn hợp để sinh công, nếu tỷ số nén quá cao sẽ dẫn đến hiện tượng cháy bất thường như kích nổ Hiện tượng cháy kích nổ xảy ra trong thời gian dài sẽ phá hủy cụm chi tiết piston, xéc-măng và xylanh [61]

Khái niệm về ε cao ở động cơ cháy cưỡng bức luôn là đích để các hãng sản xuất hướng đến, bởi vì, ε cao sẽ làm giảm lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình nhưng nhiệt độ cháy vẫn không thay đổi, thêm vào đó ε cao sẽ làm tăng được hiệu suất nhiệt của động cơ và giảm nhiệt độ khí thải vì kéo dài thêm kỳ giãn nở [62] Một ưu điểm nữa của ε cao đó là cải thiện chất lượng làm việc của động cơ ở vùng tải nhỏ, thêm vào đó là các khí đã cháy sẽ giãn nở và sinh công triệt để hơn so với động cơ có ε thấp, do vậy giảm được phần nhiệt lượng đem theo khí xả mà không làm thay đổi nhiệt lượng truyền cho nước làm mát [63]

Tuy nhiên, nếu ε quá cao sẽ làm tăng xu hướng tự bốc cháy phần hỗn hợp ở bên trong xylanh động cơ nằm ở cách xa cực bugi, hiện tượng hỗn hợp bên trong buồng cháy tự bốc cháy khi bugi chưa bật tia lửa điện hoặc màng lửa chưa lan đến gọi là cháy kích nổ Đối với động cơ đốt cháy cưỡng bức hiện tượng kích nổ sẽ xảy ra trầm trọng hơn khi tăng ε quá cao, vận tốc cháy của hỗn hợp ở phía cuối màng lửa tăng lên đột ngột (từ 76,2 m/s đạt đến 610 m/s) [64] Hoặc cũng có thể là do hai màng lửa gặp nhau ở bên trong buồng cháy, trong đó một màng lửa tự xuất hiện có tốc độ cháy rất nhanh bị chặn lại bởi màng lửa từ bugi

Nguyên nhân chính để xảy ra hiện tượng cháy kích nổ làm cho tốc độ cháy của hỗn hợp tăng nhanh là do điều kiện để phản ứng cháy xảy ra đã được thỏa mãn mà không phụ thuộc vào giá trị nhiệt độ và áp suất [65] Nhiều giải pháp kỹ thuật nhằm

kiểm soát kích nổ ở động cơ đốt cháy cưỡng bức như: tăng tốc độ làm việc của động cơ, điều khiển đánh lửa sớm hơn, làm mát nhiệt độ khí nạp, mở rộng hơn giới hạn cháy nghèo, hoặc sử dụng nhiên liệu có trị số Ốc-tan cao [66]

1 5 1 4 Ảnh hưởng của thông số vận hành

Hầu hết các nghiên cứu đều kết luận thời gian cháy phụ thuộc nhiều vào các thông số vận hành như: tốc độ động cơ, tỷ lệ hoà trộn giữa không khí và nhiên liệu ở bên trong xylanh động cơ, góc đánh lửa sớm tối ưu

Tốc độ của động cơ vừa có ảnh hưởng tốt và vừa có ảnh hưởng xấu đến quá trình cháy ở động cơ đốt trong Bởi vì khi tăng tốc độ động cơ lên quá cao sẽ làm tăng số lần đóng mở của xúp-páp nạp vì vậy sẽ làm xuất hiện hiện tượng áp suất ngược trên đường ống nạp Sự xuất hiện của áp suất ngược này tăng là nguyên nhân làm giảm hệ số nạp (v ) của động cơ vì vậy mà công suất của động cơ giảm khi ở tốc độ quá cao Thêm vào đó khi tăng tốc độ, động cơ sẽ làm giảm thời gian cần

thiết để đốt cháy hỗn hợp, do vậy nếu chuẩn bị hỗn hợp không tốt sẽ dẫn đến các quá trình cháy không hoàn thiện (cháy rớt trên đường thải hoặc cháy không hết) Tuy nhiên nếu tăng tốc độ động cơ vừa phải sẽ làm tăng động năng của dòng khí đặc biệt ở quá trình nạp và giảm được lượng khí sót trong xylanh, nhờ vậy mà chất lượng quá trình cháy được cải thiện Đối với động cơ phun nhiên liệu trên đường ống nạp, việc điều khiển tải sẽ phụ thuộc vào tỷ lệ giữa không khí (Air, A) và nhiên liệu (Fuel, F) được nạp vào trong xylanh động cơ Tỷ số A/F không ảnh hưởng trực