CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
2.2 Cơ sở lý thuyết mơ phỏng q trình cơng tác của động cơ sử dụng xăng và
2.2.1 Giới thiệu về phần mềm AVL Boost
Phần mềm AVL Boost bắt đầu được phát triển từ năm 1992. Từ đó đến nay, phần mềm này đã và đang ngày càng được phát triển hơn nữa. Phiên bản mới nhất của phần mềm AVL Boost hiện nay là AVL Boost 2011.
Phần mềm AVL Boost có các tính năng cơ bản sau:
- Mơ phỏng hoạt động của các loại động cơ 2 kỳ và 4 kỳ, động cơ có tăng áp hoặc khơng tăng áp, có hoặc khơng trang bị hệ thống xử lý khí thải… với nhiều loại nhiên liệu khác nhau.
- Tính tốn thiết kế và tối ưu hóa q trình làm việc của động cơ như quá trình cháy, q trình trao đổi khí…
- Tính tốn hàm lượng của các phát thải độc hại trong khí thải.
- Có khả năng kết nối với các phần mềm khác để mô phỏng với các dữ liệu động.
Phần mềm AVL Boost cho phép tính tốn các chế độ tĩnh và động. AVL Boost có thể dùng để tối ưu hóa ở chế độ tĩnh các hệ thống nạp và thải, đóng mở xupáp, phối hợp các bộ phận tăng áp và ước lượng tính năng của các động cơ mới. AVL Boost cũng là một cơng cụ lý tưởng cho việc tối ưu hóa các đặc trưng chuyển tiếp của động cơ ở thời kỳ đầu, khi động cơ chưa được chế tạo nhưng có tính đến cả hệ thống truyền động của phương tiện. Ngồi ra AVL Boost cịn cho phép xây dựng mơ hình điều khiển động cơ mà khơng cần tới các phần mềm bên ngồi.
Các ứng dụng chính của phần mềm AVL Boost: - Xác định đặc tính mơmen, tiêu hao nhiên liệu. - Thiết kế các đường nạp, thải của động cơ. - Tối ưu hóa thời điểm đóng mở xupáp. - Phối hợp với cụm tăng áp, van xả. - Phân tích độ ồn trên đường nạp, xả.
- Phân tích q trình cháy và hình thành khí thải. - Luân hồi khí thải.
- Độ thích ứng của cụm tăng áp.
2.2.2 Hệ phương trình mơ tả hệ nhiệt động
Trong các loại động cơ đốt trong, q trình cháy thường xảy ra khơng phải là q trình thuận nghịch, biến hóa năng của nhiên liệu thành nhiệt năng. Trong đa phần các trường hợp, định luật nhiệt động thứ nhất thường được sử dụng để xác định mối liên hệ tương quan giữa hai trạng thái: trạng thái đầu và trạng thái cuối.
Định luật nhiệt động thứ nhất mô tả mối quan hệ giữa sự biến thiên về nội năng (Entanpi) với sự biến thiên của nhiệt và cơng được thể hiện qua phương trình (2.1)
[75]: d(mc.u) dα = -pc.dV dα + dQF dα -∑dQw dα - hBB.dmBB dα + ∑dmi dα.hi - ∑dme dα .h - qev.f.dmev dα (2.1)
Sự biến đổi của phần khối lượng bên trong xi lanh có thể được tính từ tổng khối lượng vào và ra khỏi xi lanh được thể hiện qua phương trình (2.2):
d(mc. u) dα = ∑ dmi dα − ∑ dme dα − dmBB dα + dmev dt (2.2) Trong đó:
d(mc. u) : biến đổi nội năng bên trong xi lanh
pc. dV : cơng thay đổi thể tích nhiên liệu
dQF : nhiệt lượng cấp vào
∑ dQw : tổn thất nhiệt qua vách
hBB.dmBB : tổn thất entanpi do lọt khí
mc : khối lượng mơi chất bên trong xi lanh u : nội năng riêng của hệ
pc : áp suất bên trong xi lanh V : thể tích xi lanh
α : góc quay trục khuỷu
hBB : entanpi riêng của khí lọt
𝑚𝐵𝐵 : khối lượng khí lọt
me : khối lượng khí ra khỏi xi lanh
hi : entanpi riêng của khí vào xi lanh
he : entanpi riêng của khí ra khỏi xi lanh
qev : nhiệt hóa hơi của nhiên liệu
f : phần tử của nhiệt hóa hơi khi nạp vào xi lanh
mev : lượng nhiên liệu hóa hơi Phương trình trạng thái chất khí [76]:
𝑝𝑐. 𝑉 = 𝑚𝑐. 𝑅. 𝑇 (2.3)
Trong đó:
pc : áp suất bên trong xi lanh
𝑉 : thể tích xi lanh
mc : Khối lượng môi chất bên trong xi lanh
𝑇 : Nhiệt độ môi chất bên trong xi lanh
𝑅 : Hằng số chất khí
2.2.3 Điều kiện biên
2.2.3.1 Mơ hình cháy
Mơ hình cháy Fractal thích hợp cho mơ phỏng hỗn hợp hình thành từ bên ngồi, đối với động cơ xăng thơng số cơ bản điều chỉnh cháy là thay đổi thời gian cháy và thời điểm đánh lửa.
Mơ hình cháy Fractal thực sự hiệu quả đối với ngọn lửa phát triển tồn bộ và xốy lốc mở rộng tự do.
2.2.3.2 Mơ hình truyền nhiệt a) Truyền nhiệt trong xi lanh:
Tổn thất nhiệt qua vách hay quá trình truyền nhiệt từ trong buồng cháy qua thành buồng cháy như nắp xi lanh, pittơng, và lót xi lanh được tính dựa vào phương trình truyền nhiệt sau [77]:
𝑄𝑤𝑖 = 𝐴𝑖.𝛼𝑤. (𝑇𝑐 − 𝑇𝑤𝑖) (2.4) Trong đó:
Qwi: nhiệt lượng truyền cho thành (nắp xi lanh, pittơng, lót xi lanh) Ai : diện tích truyền nhiệt (nắp xi lanh, pittơng, lót xi lanh)
𝛼W : hệ số truyền nhiệt
Tc : nhiệt độ môi chất trong xi lanh
Twi : nhiệt độ thành (nắp xi lanh, pittơng, lót xi lanh).
Hệ số truyền nhiệt có thể tính tốn theo một trong các mơ hình sau: Woschni 1978, Woschni 1990, Hohenberg, Lorenz (chỉ dùng cho động cơ có buồng cháy ngăn cách), AVL 2000 Model, Bargende. Trong đó mơ hình Woschni được cơng bố năm 1978 thường được sử dụng.
b) Truyền nhiệt tại cửa nạp, cửa thải
Trong q trình qt khí, việc lưu tâm đến quá trình trao đổi nhiệt tại cửa nạp và thải là hết sức quan trọng. Q trình này có thể lớn hơn rất nhiều so với dòng chảy trong đường ống đơn giản do hệ số truyền nhiệt và nhiệt độ cao trong vùng giữa xupáp và đế xupáp được mơ tả trong các phương trình (2.6) [78].
Td = (Tu − Tw). e(−Aw.
αp
Đối với dòng chảy ra:
αp = [ C4+ C5. Tu − C6. Tu2]. Tu0,44. ṁ0,5. dvi−1,5. [1 − 0,797.hv dvi]
(2.6)
Đối với dòng chảy vào:
αp = [ C7+ C8. Tu− C9. Tu2]. Tu0,33. ṁ0,68. dvi−1,68. [1 − 0,765. hv dvi]
(2.7)
Trong đó:
αp: hệ số trao đổi nhiệt tại cửa Td: nhiệt độ sau cửa
Tu: nhiệt độ trước cửa TW: nhiệt độ thành cửa
AW: diện tích tiết diện lưu thơng 𝑚̇: lưu lượng khối lượng Cp: nhiệt dung riêng đẳng áp hv: độ nâng xupáp
dvi: đường kính trong của đế xupáp.
2.2.3.3 Mơ hình hình thành phát thải
Q trình cháy lí tưởng của hỗn hợp hydrocacbon với khơng khí chỉ sinh ra CO2, H2O và N2. Tuy nhiên, do sự không đồng nhất của hỗn hợp một cách lí tưởng cũng như do tính chất phức tạp của các hiện tượng lí hóa diễn ra trong q trình cháy nên trong khí xả động cơ đốt trong ln có chứa một hàm lượng đáng kể những chất độc hại như NOx, CO và HC. Nồng độ các chất ơ nhiễm trong khí xả phụ thuộc vào loại động cơ và chế độ vận hành.
Một trong những thơng số có tính tổng qt ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ là hệ số dư lượng khơng khí 𝜆. Động cơ đánh lửa cưỡng bức
thường làm việc với hệ số dư lượng khơng khí 𝜆 ≈ 1. Tuy nhiên, nếu hỗn hợp quá nghèo thì tốc độ cháy thấp, đơi lúc diễn ra tình trạng bỏ lửa và đó là những nguyên nhân làm tăng nồng độ HC trong khí thải. Nhiệt độ cực đại của quá trình cháy cũng là một nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến thành phần các chất ơ nhiễm vì nó ảnh hưởng mạnh đến động học phản ứng, đặc biệt là các phản ứng tạo NOx.
Nói chung tất cả những thơng số kết cấu hay vận hành nào của động cơ có tác động đến thành phần hỗn hợp và nhiệt độ cháy đều gây ảnh hưởng trực tiếp hay gián tiếp đến sự hình thành các chất ơ nhiễm trong khí xả.
a) Mơ hình hình thành khí thải NOx
NOx trong khí thải của động cơ đốt trong chủ yếu được hình thành do q trình ơxy hóa N2 có trong khơng khí nạp vào động cơ. Trong khí thải của động cơ đốt trong, NO chiếm tỷ lệ lớn nhất trong NOx.
Cơ chế hình thành phát thải NOx trong động cơ đốt trong dựa trên mơ hình động lực học phản ứng cơ sở Pattas và Hafner. Quá trình hình thành NOx được thể hiện qua sáu phương trình phản ứng theo cơ chế Zeldovich (Bảng 2.1). Q trình tính tốn bắt đầu từ thời điểm xảy ra q trình cháy.
Bảng 2.1 Phương trình phản ứng hình thành NOx theo cơ chế Zeldovich [79]
Phản ứng Tốc độ ki = k0,i. Ta. e(−TAiT ) 𝑘0 [cm3/mol.s] a [-] TA (K) N2 + O = NO + N r1 = k1.cN2.cO 4,93 x 1013 0,0472 38048 O2 + N = NO + O r2 = k2.cO2.cN 1,48 x 108 1,5 2859,01 N + OH = NO + H r3 = k3.cN.cOH 4,22 x 1013 0,0 0,00 N2O + O = NO + NO r4 = k4.cN2O.cO 4,58 x 1013 0,0 12130,6 O2 + N2 = N2O + O r5 = k5.cO2.cN2 2,25 x 1010 0,825 50569,7
OH + N2 = N2O + H r6 = k6.cOH.cN2 9,14 x 107 1,148 36190,6
b) Mơ hình hình thành CO
Mơ hình hình thành CO dựa trên hai phản ứng sau:
Phản ứng Tốc độ
1 CO + OH = CO2 + H 𝑟1 = 6,76. 1010. 𝑒1102𝑇 . 𝑐𝐶𝑂. 𝑐𝑂𝐻
2 CO + O2 = CO2 + O 𝑟2 = 2,51. 1012. 𝑒−24055𝑇 . 𝑐𝐶𝑂. 𝑐𝑂2
c) Mơ hình hình thành HC
Sự hình thành HC trong động cơ đánh lửa cưỡng bức có thể được giải thích theo các cơ chế sau:
- Sự tôi màng lửa khi tiếp xúc với thành tạo ra một lớp hỗn hợp không bị bén lửa trên mặt thành buồng cháy (gọi là hiệu ứng sát vách).
- Hỗn hợp chứa trong không gian chết không cháy do màng lửa bị dập tắt. - Hơi nhiên liệu hấp thụ vào lớp dầu bôi trơn trên thành xi lanh trong giai đoạn nạp và nén và thải ra trong giai đoạn giãn nở và cháy.
- Sự cháy khơng hồn tồn diễn ra ở một số chu trình làm việc của động cơ (cháy cục bộ hay bỏ lửa) do sự thay đổi độ đậm đặc, thay đổi góc đánh lửa sớm hay hồi lưu khí xả, đặc biệt khi gia giảm tốc độ. Khí thải của động cơ xăng thường chứa khoảng 1÷2,5% lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ.
Phương trình tổng quát về tốc độ hình thành HC [80]: dCHC dt = −Fox. Aox. exp ( −TOx T ) . CO2. CHC (2.8)
với CO2, CHC: nồng độ của O2 và HC (kmol/m3) FOx: tham số
TOx: Nhiệt độ phản ứng, thông thường TOx = 18790K AOx: Hệ số tần số, AOx = 7,7.1012 [m3/kmol/s]
Nhiên liệu sẽ cháy khơng hồn tồn ở những khu vực thiếu ôxy, hàm lượng HC trong khí thải cũng sẽ tăng khi nhiên liệu khơng được đốt cháy hoàn toàn. Khi pha trộn DMF vào xăng, do lượng ơxy có sẵn trong DMF làm giảm sự thiếu ơxy cục bộ có khả năng giúp q trình cháy tốt hơn. Thêm vào đó do nhiệt hóa hơi của hỗn hợp xăng pha DMF cao hơn nên nhiệt độ môi chất nạp giảm, hệ số nạp tăng lên cũng làm cho nhiên liệu cháy triệt để hơn.
2.2.3.4 Mơ hình nhiên liệu
Nhiên liệu sử dụng trong tính tốn cần được định nghĩa đầy đủ các tính chất lý, hóa, nhiệt như: cơng thức hóa học, tỷ lệ % nguyên tử C, O, H trong phân tử, các phản ứng hóa học, nhiệt độ sơi, mật độ của nhiên liệu, nhiệt trị thấp. Dựa trên các cơ sở dữ liệu này, các phản ứng cháy với khơng khí cũng như đặc tính nhiệt động học của mỗi nhiên liệu được xác định và tính tốn theo các phương trình sau đây [81]:
𝑐𝑝 𝑅 = 𝑎1+ 𝑎2𝑇 + 𝑎3𝑇 + 𝑎4𝑇 3+ 𝑎5𝑇4 (2.9) 𝐻𝑜 𝑅𝑇 = 𝑎1+ 𝑎2 2 𝑇 + 𝑎3 3 𝑇 2+𝑎4 4 𝑇 3+𝑎5 5 𝑇 4+𝑎6 𝑇 (2.10) 𝑆𝑜 𝑅𝑇 = 𝑎1. 𝑙𝑛𝑇 + 𝑎2𝑇 + 𝑎3 2 𝑇 2+𝑎4 3 𝑇 3+𝑎5 4 𝑇 4+ 𝑎7 (2.11) Trong đó: T là nhiệt độ; R là hằng số chất khí;
Cp là nhiệt dung riêng đẳng áp;
H0 và S0 lần lượt là entanpi và entropi;
2.3 Kết luận Chương 2
Nội dung Chương 2 đã trình bày về cơ sở lý thuyết quá trình cháy trong động cơ đốt trong khi sử dụng nhiên liệu là xăng và DMF, đồng thời cũng đề cập đến cơ sở lý thuyết về mơ phỏng q trình cơng tác của động cơ khi sử dụng các loại nhiên liệu này.
Về phần cơ ở lý thuyết quá trình cháy trong động cơ đốt trong khi sử dụng nhiên liệu DMF, nội dung Chương 2 đã trình bày các nghiên cứu về cơ chế phân hủy, đặc tính đánh lửa, cơ chế ơxy hóa và nhiệt phân của DMF khi được sử dụng làm nhiên liệu trên động cơ đốt trong. Kết quả nghiên cứu cho thấy đặc tính cháy của DMF hồn tồn thích hợp cho việc sử dụng trên các loại động cơ đốt trong. Bên cạnh đó, cơ chế phân rã của DMF trong q trình cháy cho thấy nó có thể sản sinh ra một số chất ơ nhiễm, độc hại và có thể trở thành rào cản cho việc ứng dụng DMF trong tương lai. Tuy nhiên, để có thể đánh giá được một cách chính xác nhất về thành phẩn, tỷ lệ sản sinh ra các chất gây ô nhiễm này và mức độ ảnh hưởng của chúng đối với môi trường và sức khỏe của con người thì cần phải có các nghiên cứu sâu hơn về mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng.
Về phần cơ sở lý thuyết mơ phỏng q trình cơng tác của động cơ sử dụng xăng và DMF, kết quả nghiên cứu cho thấy quá trình cháy trong động cơ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng-DMF có thể được mơ phỏng bằng mơ hình cháy Fractal. Mơ hình này thường dùng cho các loại động cơ đánh lửa cưỡng bức, nó có thể dự đốn được tốc độ giải phóng nhiệt trong động cơ đốt trong có khí nạp đồng nhất. Cùng với các mơ hình khác như mơ hình hỗn hợp nhiên liệu, mơ hình truyền nhiệt (lựa chọn sử dụng mơ hình Woschni), mơ hình tính tốn hàm lượng phát thải… việc lựa chọn mơ hình cháy Fractal là hợp lý cho việc tiến hành mô phỏng động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng-DMF bằng phần mềm AVL-Boost.
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ XĂNG SỬ DỤNG CÁC HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DMF
3.1 Đặt vấn đề
Để đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu sinh học DMF đến các chỉ tiêu kỹ thuật và phát thải của động cơ, ta tiến hành tính tốn mơ phỏng động cơ 1NZ-FE khi sử dụng hỗn hợp DMF-xăng RON95 với các tỉ lệ thay đổi từ 10÷50% theo thể tích trong hỗn hợp với xăng ở 100% tải và 50%, tốc độ vịng quay từ 1000÷5000 vg/ph.
Tính tốn mơ phỏng giúp ta so sánh, đánh giá, kiểm nghiệm xem với động cơ 1NZ-FE nói riêng và động cơ xăng nói chung có áp dụng được nhiên liệu cịn khá mới hiện nay là DMF để chạy và hòa trộn với xăng mà vẫn đáp ứng và đảm bảo được các đặc tính kỹ thuật và kinh tế hay khơng, với tỉ lệ bao nhiêu là tối ưu, lượng phát thải ra ngồi mơi trường như thế nào, và có đúng là DMF đang là một loại nhiên liệu tiềm năng để phát triển trong ngành công nghiệp động cơ ô tô hay không.
3.2 Đối tượng nghiên cứu và nhiên liệu thử nghiệm
3.2.1 Động cơ nghiên cứu
Động cơ được sử dụng để xây dựng mơ hình nghiên cứu trong luận án này là động cơ 1NZ-FE, được sử dụng trên xe Toyota Vios là loại xe khá phổ biến hiện nay. Đây là loại động cơ cháy cưỡng bức, gồm 4 xi lanh thẳng hàng. Các thơng số chính của động cơ 1NZ-FE được thể hiện trong Bảng 3.1.
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của động cơ 1NZ-FE
Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Số kỳ τ 4 kỳ
Dung tích xi lanh V 1497 cm3 Đường kính xi lanh D 75 mm Hành trình pittơng S 84,7 mm Thời điểm phối khí Nạp Mở α1 7o – 33o Trước ĐCT Đóng α2 52o – 12o Sau ĐCD Xả Mở β1 42o Trước ĐCD Đóng β2 5o Sau ĐCT Tỉ số nén ε 10,5:1 -
Công suất lớn nhất tại 6000v/p Nmax 80 kW
Mômen lớn nhất tại 4200 v/p Mmax 141 N.m
Số lượng xupap nạp 8 -