VII Bố cục luận án
3 42 Ảnh hưởng của tỷ số nén đến mômen và công suất
Hình 3 27 trình bày các kết quả thí nghiệm thu được từ động cơ nghiên cứu với các tỷ số nén khác nhau và cấp nhiên liệu khí thiên nhiên Kết quả thu được đã chỉ ra rằng Mô men của động cơ ở mỗi tỷ số nén khác nhau như là một hàm số thay đổi theo tốc độ động cơ Quy luật thay đổi của mô men đều có hình dạng giống nhau khi tốc độ động cơ tăng từ n = 1000 vòng/phút đến 2000 vòng/phút Trong khoảng n = 1000 vòng/phút đến 1400 vòng/phút, mô men ở bất kỳ tỷ số nén đều có giá trị đo được lớn hơn so với vùng tốc độ khác Thêm vào đó, mô men lớn nhất được tìm thấy tại tốc độ 1200 vòng/phút và các giá trị tại tỷ số nén ε = 12 đều lớn hơn so với những tỷ số nén khác
Từ các kết quả thu được ở trên có thể thấy rằng ảnh hưởng của tỷ số nén đến đặc tính làm việc của động cơ là lớn hơn so với ảnh hưởng của tổn hao cơ giới Để làm rõ hơn ảnh hưởng của tỷ số nén đến đặc tính làm việc của động cơ, cần phải xem xét sự thay đổi của công suất theo tỷ số nén ở các tốc độ động cơ như n = 1000 vòng/phút, 1200 vòng/phút, 1400 vòng/phút và 1600 vòng/phút
Hình 3 27 Ảnh hưởng của tỷ số nén đến mô men động cơ
Hình 3 28 Ảnh hưởng của tỷ số nén đến công suất động cơ
Hình 3 28 trình bày các kết quả thu được khi động cơ làm việc ở điều kiện: = 1, bướm gió mở hoàn toàn và góc đánh lửa được điều chỉnh sao cho đạt mô men lớn nhất
Quan sát trên hình vẽ có thể thấy rằng Công suất ở mỗi tốc độ động cơ đều có xu hướng thay đổi giống nhau khi tăng tỷ số nén Khi tăng tỷ số nén từ ε = 10 đến ε = 14, công suất tăng và đạt giá trị lớn nhất tại tỷ số nén ε = 12 sau đó giá trị của công suất giảm khi tỷ số nén lớn hơn, tuy nhiên, tại tỷ số nén ε = 14 công suất của mỗi tốc độ đều lớn hơn so với tỷ số nén ε = 10
Kết quả này là do tăng được hiệu suất nhiệt của động cơ và mức độ tăng này đã bù đắp được phần nào cho phần công tổn thất cho các quá trình nạp, nén và thải khi tăng tỷ số nén của động cơ, thêm vào đó tổn thất công suất tại ε = 12 chỉ lớn hơn so với ε = 10
Hình 3 29 Ảnh hưởng của tỷ số nén đến góc đánh lửa sớm tối ưu
Hình 3 29 cho thấy ở điều kiện lambda λ = 1 và cố định tốc độ động cơ, để đạt được mô men lớn nhất góc đánh lửa sớm của động cơ có xu hướng đánh sớm hơn khi tăng tỷ số nén Góc đánh lửa sớm cũng có cùng xu hướng đánh sớm lên khi tăng tốc độ động cơ, tại tỷ số nén lớn hơn ε = 13 động cơ chỉ làm việc ở tốc độ từ 1200 vòng/phút Tại mỗi tỷ số nén cố định, góc đánh lửa sớm có xu hướng tăng khi tăng tốc độ động cơ Như vậy có thể thấy rằng cho dù tăng tốc độ hay tăng tỷ số nén, cần thiết phải tăng góc đánh lửa sớm lên để có thể đạt được mô men lớn nhất
Hình 3 30 trình bày các giới hạn về tốc độ động cơ và góc đánh lửa theo chiều tăng của tỷ số nén Các kết quả thu được từ thực nghiệm cho thấy tốc độ giới hạn của động cơ và góc đánh lửa giới hạn có sự thay đổi khác nhau Tốc độ giới hạn của động cơ có xu hướng giảm nhưng góc đánh lửa giới hạn lại có xu hướng tăng lên khi tăng tỷ số nén Các kết quả này đã khẳng định rằng ảnh hưởng của tỷ số nén đến đặc tính làm việc của động cơ là rất lớn, nhưng nguyên nhân chính được tìm thấy đó là hình dạng buồng cháy khi động cơ sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên
3 4 3 Ảnh hưởng của các thông số kết cấu và vận hành đến thời gian cháy
3 4 3 1 Ảnh hưởng của độ sâu đỉnh piston đến thời gian cháy
Hình 3 31 thể hiện thời gian cháy ( c ) của hỗn hợp bên trong xylanh động cơ và góc đánh lửa tối ưu (IT = MBT) theo độ sâu Hb của đỉnh piston ở điều kiện chạy mô phỏng: Tốc độ động cơ giữ cố định tại n = 1800 vòng/phút, lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình cố định tại Gnl = 0,755 (g/s) tương đương lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình Gct = 0,05 (gct), đường kính phần khoét lõm trên đỉnh piston được giữ không đổi Db = 66
Khi độ sâu Hb tăng, thời gian cháy và góc đánh lửa có cùng xu hướng thay đổi giống nhau là giảm xuống và đạt giá trị nhỏ nhất, sau đó lại có xu hướng tăng lên khi Hb có giá trị lớn hơn Thời gian cháy ngắn nhất tại Hb = 17,5 và giảm được khoảng 43% so với thời gian cháy tại Hb = 0
Kết quả này đã chỉ ra rằng động học và động lực 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 mô men, công suất, hiệu suất nhiệt được dự báo là có xu hướng giảm và suất tiêu hao nhiên liệu có xu hướng tăng
Để làm rõ hơn nữa về ảnh hưởng của hình dạng piston tới đặc tính làm việc của động cơ hay cụ thể hơn là chất lượng của quá trình cháy cần phải xem xét ảnh hưởng của hình dạng piston tới diễn biến áp suất trong xylanh động cơ
Hình 3 31 Ảnh hưởng Hb đến thời gian cháy và góc đánh lửa sớm
Hình 3 32 Ảnh hưởng Hb đến áp suất trong xylanh
Hình 3 32 biểu diễn các đường áp suất trong xylanh theo góc quay trục khuỷu ứng với mỗi giá trị Hb của đỉnh piston ở điều kiện mô phỏng Ảnh hưởng của Hb đến áp suất trong xylanh rõ nhất ở cuối quá trình nén và ở phần đầu của 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
Nguyên nhân làm thay đổi áp suất trong xylanh này là do cường độ rối của các phân tử bên trong xylanh động cơ được tăng lên khi piston tiến gần sát đến điểm chết trên Tuy nhiên phần diện tích xung quanh của buồng cháy cũng bị tăng lên khi giá trị Hb tăng, vì vậy khả năng làm tăng tổn thất nhiệt cho đỉnh piston tăng
Hình 3 33 Ảnh hưởng Hb đến tổn thất nhiệt
Hình 3 33 thể hiện nhiệt truyền thành, vách buồng cháy khi Hb thay đổi Tổn thất nhiệt có xu hướng giảm rất nhanh và đạt giá trị nhỏ nhất tại Hb = 10, sau đó tổn thất nhiệt lại có xu hướng tăng lên một chút khi Hb lớn hơn
Với Hb = 0, mặc dù là dạng buồng cháy gọn với diện tích xung quanh nhỏ nhất khi cùng ɛ = 10, nhưng do thời gian cháy kéo dài hơn nên nhiệt truyền cho thành vách lớn hơn
Với Hb = 10, mặc dù có tổn thất nhiệt nhỏ hơn hơn so với Hb = 17,5 nhưng vận tốc rối bên trong xylanh động cơ nhỏ hơn vì vậy áp suất trong xylanh động cơ nhỏ hơn
Tại giá trị Hb = 25, mặc dù áp suất cực đại trong xylanh động cơ lớn hơn so với Hb = 17,5 nhưng diện tích buồng cháy lớn hơn nên phần nhiệt sinh ra không đủ đề bù cho phần nhiệt bị mất mát cho thành buồng cháy nên đặc tính làm việc của động cơ sẽ không được cải thiện
3 4 3 2 Ảnh hưởng của vị trí đặt bugi đến thời gian cháy
Hình 3 34 thể hiện thời gian cháy ( c ) của hỗn hợp bên trong xylanh động cơ theo vị trí đặt bugi, trong trường hợp này đường tâm của phần thể tích trên đỉnh piston trùng với đường tâm của xylanh (OB = 0)
Khi vị trí bugi (OS) dịch chuyển khỏi tâm xylanh, thời gian cháy có xu hướng tăng nhanh ở cả ɛ = 10 và ε = 11,5 Với cùng điều kiện mô phỏng, khi vị trí bugi dịch chuyển khỏi tâm xylanh (OS > 0), thời gian cháy của cả hai tỉ số nén đều có xu hướng thay đổi giống nhau Khi bugi dịch chuyển trong khoảng từ 0 đến 6 (mm), thời gian cháy tăng rất nhanh (khoảng 90%) so với vị trí không dịch chuyển (OS = 0)
Kết quả này đã chỉ ra rằng vị trí đặt bugi có ảnh hưởng rất lớn đến thời gian cháy của hỗn hợp ở bên trong xylanh động cơ, độ lệch tâm bugi càng lớn thời gian cháy càng tăng Với cùng một khoảng cách dịch chuyển thì thời gian cháy của trường hợp tỷ số nén ε = 11,5 lớn hơn thời gian cháy của trường hợp có tỷ số nén là ε = 10 Tại vị trí dịch chuyển là 6 (mm), thời gian cháy của trường hợp ε = 11,5 lớn hơn khoảng 10 độ góc quay trục khuỷu so với trường hợp ε = 10
Quan sát kết quả thu được trên hình vẽ có thể kết luận rằng tăng tỷ số nén và vị trí bugi lệch so với tâm lõm trên đỉnh piston sẽ làm tăng thời gian cháy Nhưng ảnh hưởng của vị trí đặt bugi đến thời gian cháy lớn hơn so với ảnh hưởng của tỷ số nén, nguyên nhân dẫn đến kết quả này là do tổn thất nhiệt truyền cho thành vách buồng cháy tăng
3 4 3 3 Ảnh hưởng của thời điểm đánh lửa đến thời gian cháy
Thời gian cháy ( c ) được xác định bởi hai thông số là thời điểm bắt đầu và thời gian đốt cháy, trong đó góc đánh lửa sẽ quyết định trực tiếp đến thời điểm bắt đầu quá trình cháy Sau khi bugi bật tia lửa điện cần một khoảng thời gian ngắn để hình thành tâm cháy, sau đó từ tâm cháy này mới hình thành các điểm lửa và tạo thành màng lửa lan tràn trong xylanh Góc đánh lửa càng lớn trước điểm chết trên (BTDC), thì thời điểm bắt đầu cháy càng sớm, từ đó ảnh hưởng trực tiếp tới thời điểm áp suất đạt giá trị cực đại trong xylanh
Hình 3 35 thể hiện sự thay đổi thời gian cháy ( c ) theo góc đánh lửa (IT) Thời gian cháy có xu hướng giảm nhanh khi góc đánh lửa tăng lên, mức độ giảm của tỷ số nén ε = 10 và ε = 11,5 là tương đương nhau Với cùng một góc đánh lửa, thời gian cháy của ε = 11,5 lớn hơn so với ε = 10, khi góc đánh lửa tăng từ 12 lên 18 độ thì thời gian cháy giảm đi khoảng 20% Tại cùng một góc đánh lửa khi tăng tỷ số nén từ ε = 10 lên ε = 11,5 thì thời gian cháy chỉ tăng lên khoảng 7%, chứng tỏ tỷ số nén ít ảnh hưởng đến thời gian cháy hơn so với góc đánh lửa
Hình 3 35 Ảnh hưởng của thời điểm đánh lửa đến thời gian cháy
3 4 4 Ảnh hưởng của hình dạng buồng cháy đến mô men 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