ethanol cung cấp đến nhiệt độ khí thải
Trên hình 1.13 và hình 1.14 lần lượt thể hiện ảnh hưởng của hỗn hợp tỷ lệ ethanol đến phát thải NOx và nhiệt độ khí thải theo tốc độ động cơ. Kết quả cho O2 (% V) T H C (p p N Ox (p p T (o C)
thấy, càng tăng tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp sẽ làm giảm nhiệt độ khí thải và làm giảm NOx. Sự hình thành NOx trong động cơ SI phụ thuộc phần lớn vào nhiệt độ
Bình LPG
của vật liệu cháy khi có nhiều O2 trong sản phẩm cháy. Yếu tố chính làm giảm NOx chính là do ethanol có nhiệt ẩn hóa hơi cao, điều này làm giảm đáng kể nhiệt độ cháy qua đó làm giảm nhiệt độ khí cháy, làm giảm NOx.
Alexander, Porpatham đã tiến hành thực nghiệm để đánh giá hiệu suất và phát thải ô nhiễm của động cơ SI 01 xilanh, có tỷ số nén 10,5, sử dụng bộ chế hịa khí để cung cấp hỗn hợp nhiên liệu LPG-ethanol (ethanol chiếm 5%, 10% và 20% theo thể tích) cho động cơ thực nghiệm [73] (hình 1.15). Bình Ethanol Bình nhiên li u LPG Hình 1.15: Bố trí thực nghiệm động cơ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu LPG- ethanol
Động cơ thực nghiệm được vận hành theo các hệ số tương đương khác nhau trong điều kiện bướm ga mở lớn, ở tốc độ không đổi 1500 vg/phút. Kết quả cho thấy, khi động cơ hoạt động với hỗn hợp nhiên liệu chứa 10% ethanol, hiệu suất có ích đạt được lớn nhất (28,5%) ứng với hệ số tương đương là 0,7; đồng thời lượng phát thải HC và CO đo được cũng nhỏ nhất.
Hình 1.16: Bố trí thực nghiệm đánh giá hiệu suất và phát thải động cơ SI sử dụng xăng và hỗn hợp LPG-ethanol
Warade and Lamankar đã nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ SI, 1 xilanh, bốn thì, sử dụng xăng và hỗn hợp LPG-ethanol làm nhiên liệu, ở tốc độ không đổi, hoạt động ở các điều kiện tải khác nhau (hình 1.16) [75]. Các thơng số được xem xét để so sánh là hiệu suất có ích và nhiệt độ khí thải của động cơ. Có sự cải thiện về hiệu suất có ích khi sử dụng hỗn hợp LPG-ethanol so với xăng ở các mức tải khác nhau. Nhiệt độ khí thải khi sử dụng xăng làm nhiên liệu có giá trị thấp hơn so với hỗn hợp LPG-ethanol. Đối với hỗn hợp LPG-ethanol, nồng độ CO và HC trong khí thải được ghi nhận là thấp hơn so với động cơ chạy bằng xăng, trong khi NOx
được tìm thấy tăng khi tăng tỷ lệ phần trăm Ethanol trong hỗn hợp LPG-ethanol. Từ những nghiên cứu chỉ bằng giải pháp cung cấp LPG và ethanol thơng qua bộ chế hịa khí hoặc bộ tạo hỗn hợp đơn giản đã cho thấy quá trình cháy, hiệu suất và phát thải của động cơ SI được cải thiện khi sử dụng hỗn hợp LPG-ethanol làm nhiên liệu thay thế cho xăng ở các điều kiện khác nhau như thay đổi hệ số tương đương, tốc độ, v.v... Tuy nhiên, để có thể sử dụng hỗn hợp LPG-ethanol trên các phương tiện giao thơng vận tải, phù hợp với tính chất của mỗi loại nhiên liệu cần có giải pháp cung cấp LPG và ethanol linh hoạt hơn bằng công nghệ phun riêng rẽ LPG và ethanol bằng vịi phun nhiên liệu lỏng và khí kết hợp điều khiển điện tử.
1.6. Kết luận chương 1
Kết quả nghiên cứu tổng quan về tình hình nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu LPG và ethanol cho phép rút ra những kết luận sau:
- LPG là nhiên liệu thay thế, có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch, ở trạng thái khí trong điều kiện mơi trường nhưng áp suất hóa lỏng thấp nên dễ lưu trữ trên phương tiện giao thông. Khi cháy LPG phát thải ơ nhiễm thấp hơn xăng. Cịn ethanol là nhiên liệu tái tạo có chỉ số octane cao và cháy sạch nhờ thành phần oxygen chứa trong nhiên liệu. Kết hợp sử dụng LPG và ethanol trên động cơ sẽ tận dụng được ưu điểm của từng loại nhiên liệu để cải thiện chất lượng quá trình cháy và giảm phát thải chất khí gây ơ nhiễm cũng như chất khí gây hiệu ứng nhà kính.
- Ethanol đã được pha vào xăng làm nhiên liệu cho ô tô, xe gắn máy. Do nhiệt ẩn hóa hơi của ethanol lớn nên động cơ phải trang bị những hệ thống hỗ trợ
làm bốc hơi nhiên liệu khi sử dụng hàm lượng ethanol cao, đặc biệt khi động cơ làm việc trong môi trường nhiệt độ thấp. Trong khi đó LPG ở trạng thái khí khi cung cấp vào đường nạp nên không gây ảnh hưởng đến sự bốc hơi của ethanol khi phối hợp sử dụng LPG-ethanol. Tuy nhiên, LPG và ethanol không cùng trạng thái trong điều kiện nhiệt độ môi trường nên hệ thống cung cấp nhiên liệu phức tạp hơn so với khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng-ethanol.
- Xe gắn máy là phương tiện giao thông cá nhân chủ yếu ở nước ta và là nguyên nhân chính gây ơ nhiễm khơng khí. Việc phối hợp sử dụng LPG và ethanol cho xe gắn máy là giải pháp thiết thực và khả thi để giảm dần sự lệ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và giảm phát thải ơ nhiễm mơi trường. Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu ứng dụng LPG, xăng-ethanol cho xe gắn máy nói riêng và trên phương tiện giao thơng cơ giới nói chung, tuy nhiên rất hiếm các cơng trình liên quan đến ứng dụng LPG- ethanol trên xe gắn máy được công bố.
- Nghiên cứu tổng quan trên cho thấy, để có thể phối hợp sử dụng LPG và ethanol, chúng ta cần nghiên cứu cơng nghệ cung cấp nhiên liệu khí/lỏng phù hợp và hồn thiện q trình cháy để nâng cao hiệu quả sử dụng nhiệt và giảm phát thải ơ nhiễm. Do đó cần tiến hành nghiên cứu mơ phỏng và thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến tính năng kỹ thuật và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ.
Kết quả nghiên cứu tổng quan trên đây giúp cho nghiên cứu sinh củng cố mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu khi thực hiện đề tài “Nâng cao tính
năng kinh tế- kỹ thuật và giảm mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ xe gắn máy chạy bằng LPG và ethanol”.
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT Q TRÌNH CHÁY
Cơ sở lý thuyết để tính tốn q trình hồ trộn, q trình cháy cháy và phát thải ơ nhiễm là tập hợp các cơng trình nghiên cứu khoa học cơ bản. Các lý thuyết này được đưa vào phần mềm tính tốn động lực học chất lỏng (CFD) Ansys Fluent dưới dạng các mơ hình. Các mơ hình chính sử dụng gồm: mơ hình rối k-ε, mơ hình cháy đồng nhất cục bộ, mơ hình hình thành NOx. Tính đúng đắn của các mơ hình này đã được nhiều tác giả kiểm chứng bằng thực nghiệm. Luận án này phân tích các điều kiện vận hành thực tế của động cơ khi chạy bằng LPG-ethanol để lựa chọn mơ hình tính tốn phù hợp. Trên cơ sở đó xây dựng chương trình tính tốn cho động cơ J52C của xe gắn máy.
2.1. Hệ phương trình chảy rối
Hệ phương trình gồm: phương trình liên tục, phương trình bảo tồn động lượng, phương trình bảo tồn enthalpy, phương trình nhiệt độ, phương trình bảo tồn các chất:
Phương trình liên tục: ∂p
+ ∇.ρU = 0
∂t (2.1)
Phương trình bảo tồn động lượng: ∂pU
+(∇.ρUU )=−∇p +∇.τ + ρ.g
∂t (2.2)
Phương trình bảo tồn Enthalpy : ρh + (∇.ρU ) = ∇λ ∇T − ∇q + ∇.∑ ρh (T )D ∇m ∂t e rad l l e l (2.3) Phương trình nhiệt độ: ρc DT = ∇λ ∇T − ∇.∑ ρh (T )D ∇m − ρ ∑ Dml h (T ) ρ Dt e l l e l l Dt l (2.4) Phương trình bảo tồn phần tử:
∂ ρm
+ ∇.ρUm = ∇.D ρ∇m − R
l
∂t l e l 1
(2.5)
Trong môi trường chảy rối, các đại lượng trong các phương trình trên được biểu diễn thơng qua giá trị trung bình và dao động của chúng. Do đó khi viết hệ các phương trình trên trong mơi trường chảy rối sẽ xuất hiện các đại lượng dao động rối, khiến hệ phương trình khơng khép kín. Để khép kín hệ phương trình, chúng ta phải bổ sung mơ hình chảy rối thơng qua độ nhớt rối. Mơ hình chảy rối thường được biểu diễn thơng qua động năng rối k và tốc độ tiêu tán động năng rối ε bởi 2
phương trình chuyển sau đây: ∂ (ρk) + ∂ (ρku ) = ∂ µ + µt ∂k + P + P − ρε − Y + S ∂t ∂xi i ∂x j σ k ∂x j k b M K (2.6) ∂ (ρε ) + ∂ (ρεu ) = ∂ µ + µt ∂ε + C ε (P +C P )− ρC ε 2 + S ∂ ∂x i ∂x σ 1ε kk 3ε b 2ε k ε t i j ε ∂x j (2.7) Trong đó độ nhớt rối: µ = ρ C µk
2.2. Lý thuyết q trình cháy nhiên liệu khí
Q trình cháy trong động cơ đốt trong có thể phân chia thành quá trình cháy khơng hịa trộn trước, tức q trình cháy khuếch tán đối với động cơ diesel, quá trình cháy của hỗn hợp hịa trộn trước đối với động cơ xăng truyền thống và quá trình cháy hịa trộn trước cục bộ là mơ hình cháy trung gian.
Lý thuyết cơ bản về các quá trình cháy cơ bản đã được phân tích trong các tài liệu Error! Reference source not found.,[48] [49]. Tính tốn gần đúng q trình cháy có thể giải bài tốn một chiều để nhận được các giá trị trung bình của các đại lượng đặc trưng quá trình cháy. Khi đó phương trình trạng thái khí lý tưởng và định luật nhiệt động học 1 được áp dụng trong không gian buồng cháy được chia thành 2 khu vực (đối với q trình cháy của hỗn hợp hịa trộn trước) hay nhiều khu vực (đối với q trình cháy của hỗn hợp khơng hịa trộn trước).
t
2
Cháy trong môi trường rối là hiện tượng rất phức tạp. Bên cạnh các qui luật về cơ học lưu chất, chúng ta cần phải xét đến vấn đề nhiệt động phản ứng làm thay đổi các chất có mặt trong khơng gian xem xét. Vì vậy trong tính tốn mơ phỏng, bài tốn nhiệt động hóa học được đơn giản hóa về một thơng số duy nhất, đó là thành phần hỗn hợp f; f là thành phần khối lượng từ nguồn nhiên liệu. Nói cách khác nó là thành phần khối lượng cục bộ của các nguyên tố có mặt trong nhiên liệu (ví dụ C, H…) trong tất cả các chất có mặt trong hỗn hợp (như CO2, H2O, CO, NOx…). Vì vậy thành phần hỗn hợp f là một đại lượng bảo tồn, trong phương trình bảo tồn đại lượng này khơng có đại lượng nguồn. Q trình cháy phức tạp được chuyển về bài tốn đơn giản, đó là bài tốn hịa trộn. Tất cả những đại lượng của q trình cháy có thể được xác định thơng qua đại lượng bảo tồn f.
Trong Fluent, quá trình cháy được thể hiện qua 2 biến số cơ bản là thành phần hỗn hợp f và diễn biến phản ứng c. Phần sau sẽ tổng hợp lý thuyết quá trình cháy sử dụng trong phần mềm Fluent.
2.2.1. Lý thuyết cháy của hỗn hợp khơng hịa trộn trước
2.2.1.1. Lý thuyết về thành phần hỗn hợp a. Định nghĩa thành phần hỗn hợp
Nền tảng của mơ hình hóa cháy khơng hịa trộn trước là trạng thái nhiệt hóa học tức thời của lưu chất phụ thuộc vào một đại lượng bảo toàn gọi là thành phần hỗn hợp f, với một số giả định đơn giản hóa. Thành phần hỗn hợp có thể được viết dưới dạng thành phần khối lượng nguyên tử như sau:
Zi − Zi,ox f =
Zi, fuel − Zi,ox (2.8)
Trong đó Zi là tỷ lệ khối lượng phân tử của phân tử i, ox ký hiệu giá trị của dịng chất oxy hóa ở đầu vào cịn fuel chỉ giá trị liên quan đến nhiên liệu đầu vào. Nếu hệ số khuếch tán của tất cả các chất đều như nhau thì phương trình 2.8 đồng nhất cho các phân tử và định nghĩa thành phần hỗn hợp cũng đồng nhất. Vì vậy thành phần hỗn hợp là tỷ lệ khối lượng phân tử bắt nguồn từ dòng nhiên liệu.
Với giả định khuếch tán đồng nhất, các phương trình bảo tồn các chất được rút gọn thành một phương trình duy nhất đối với thành phần hỗn hợp f. Những đại lượng nguồn phản ứng được loại bỏ và vì vậy f là một đại lượng bảo tồn. Trong khi giả định khuếch tán đồng nhất là vấn đề đối với các dòng chảy tầng thì nó thường được chấp nhận đối với những dịng chảy rối trong đó đối lưu rối lấn át khuếch tán phân tử. Phương trình đối với giá trị trung bình kiểu Favre (trung bình theo trọng số khối lượng riêng) của thành phần hỗn hợp được viết như sau:
∂ (ρf )+ ∇.(ρvf )= ∇ µt
∇f + S + f
.
∂t σt m user (2.9)
Đại lượng nguồn Sm chỉ do truyền chất từ các hạt nhiên liệu lỏng hay các hạt phản ứng (như than) vào pha khí. Suser là đại lượng nguồn do người sử dụng định nghĩa.
Cùng với việc giải phương trình đối với thành phần hỗn hợp trung bình kiểu Favre, Fluent cũng giải phương trình bảo tồn đối với độ lệch bình phương của thành phần hỗn hợp f '2 [3]:
∂ 2 2 µt 2 2 ε 2
∂t ρ f ' +∇. ρv f ' =∇.
σ ∇ f ' +Cg µt (∇f ) −Cd ρ k f ' + fuser
t (2.10)
Trong đó f ' = f − f . Các giá trị mặc định của các hằng số σt, Cg và Cd theo thứ tự là 0,85; 2,86 và 2,0; Suser là đại lượng nguồn do người sử dụng định nghĩa.
Độ lệch bình phương của thành phần hỗn hợp được dùng để khép kín mơ hình mơ tả mối tương tác hóa học và rối.
c. Thành phần hỗn hợp theo hệ số tương đương
Có thể được hiểu trong mối tương quan với những phép đo chung trong hệ thống phản ứng. Hãy xét một hệ thống cháy đơn giản gồm một dòng nhiên liệu (F), một dịng chất oxy hóa (O) và dịng sản phẩm (P) được biểu diễn ở điều kiện phản ứng hồn tồn như sau:
Trong đó r là tỷ lệ khối lượng khơng khí/ nhiên liệu. Gọi hệ số tương đương là φ trong đó:
φ=( fuel / air) ( fuel / air) actual
stoichiometric (2.12)
Phản ứng trong phương trình 2.6, dưới những điều kiện tổng quát hơn, có thể được viết như sau:
φF + rO→(φ + r)P (2.13)
Nhìn vào vế trái của phương trình này, thành phần hỗn hợp cho tồn bộ hệ thống có thể rút gọn thành:
f = φ
φ + r (2.14)
Phương trình 2.14 cho phép tính thành phần hỗn hợp ở điều kiện phản ứng hoàn toàn (φ=1) hay ở điều kiện hỗn hợp giàu (φ>1), hay hỗn hợp nghèo (φ< 1).
d. Mối quan hệ giữa f với thành phần khối lượng các chất, khối lượng riêng và nhiệt độ
Thế mạnh của các cách tiếp cận mơ hình thành phần hỗn hợp là về hóa học được rút gọn thành một hay hai thành phần hỗn hợp bảo toàn. Với giả định cân bằng hóa học, tất cả các đại lượng hóa nhiệt (thành phần các chất, khối lượng riêng, nhiệt độ) chỉ quan hệ duy nhất vào thành phần hỗn hợp.
Đối với hệ thống đoạn nhiệt, một thành phần hỗn hợp, các giá trị tức thời của thành phần khối lượng các chất, khối lượng riêng và nhiệt độ chỉ phụ thuộc vào giá trị tức thời của thành phần hỗn hợp f.
φi =φi ( f ) (2.15)
Trong các phương trình 2.15 và 2.16, φi chỉ giá trị tức thời của thành phần khối lượng các chất, khối lượng riêng hay nhiệt độ. Trong trường hợp hệ thống một thành phần hỗn hợp, không đoạn nhiệt, với H là enthalpy tức thời thì ảnh hưởng của lượng nhiệt sinh ra hay mất đi được viết như sau:
Dịng khơng đoạn nhiệt như hệ thống có tổn thất bức xạ, truyền nhiệt qua thành, trao đổi nhiệt từ hạt hay giọt dầu hay nhiều dòng đầu vào với nhiệt độ khác nhau.
Trong nhiều hệ thống phản ứng, q trình cháy khơng ở trạng thái cân bằng hóa học. Fluent đưa ra nhiều cách tiếp cận với mơ hình khơng cân bằng hóa học bao gồm mơ hình tốc độ giới hạn, mơ hình tiêu tán các xốy rối EDC, mơ hình chuyển PDF, trong các mơ hình này có thể được đưa vào cơ chế động hóa học.
Có ba cách tiếp cận trong mơ hình hóa q trình cháy để mơ phỏng khơng cân bằng hóa học. Thứ nhất là chọn Rich Flammability Limit (RFL) trong mơ hình cân bằng, trong đó những vùng hỗn hợp giàu được giả định có hịa trộn nhưng khơng cháy của nhiên liệu và hỗn hợp khí cháy ở trạng thái cân bằng của hỗn hợp