Kết quả mô phỏng quá trình cung cấp nhiên liệu hybrid biogas-xăng

HỢP VÀ CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CẤP NHIÊN LIỆU VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN

3.3. Kết quả mô phỏng quá trình cung cấp nhiên liệu hybrid biogas-xăng

(a) (b)

Hình 3.4: Biến thiên đường đồng mức áp suất, nồng độ CH4 và C8H18 trong quá trình nạp (n=3000 vòng/phút, biogas M7C3, góc phun xăng 30-60, góc phun biogas 60-

110)

60

Hình 3.4a giới thiệu các đường đồng mức áp suất tĩnh trên đường nạp. Chúng ta thấy trong suốt kỳ nạp, độ chân không trên đường nạp lớn nhất xuất hiện ngay tại họng venturi và lan về phía hạ lưu. Mặt cắt số 3 là vùng có độ chân không lớn nhất.

Về cuối quá trình nạp, khi xú páp nạp bắt đầu đóng lại thì áp suất vùng gần xú páp tăng. Đây là do quán tính của dòng khí.

Hình 3.4b biểu diễn đường đồng mức nồng độ nhiên liệu CH4 và C8H18. Biogas được phun bằng hai vòi phun đối xứng bố trí ngay tại họng venturi. Thời điểm mở vòi phun là 60TK và đóng vòi phun tại 110TK. Vòi phun xăng mở tại 30TK và đóng tại 60TK. Sau khi nhiên liệu thoát ra khỏi các vòi phun chúng bị dòng khí kéo theo vào xi lanh. Do tia phun xăng là tia 2 pha nên sau khi phun, các hạt nhiên liệu bốc hơi mới hòa trộn với không khí. Do thời gian phun ngắn và vòi phun được bố trí gần xú páp nạp nên nhiên liệu xăng nhanh chóng được hút vào xi lanh. Trong khi đó CH4 trong biogas có sự chậm trễ nhất định. Cuối quá trình nạp, sau khi xú páp nạp đã đóng, trên đường nạp vẫn còn một tỉ lệ đáng kể CH4 chưa kịp hút hết vào xi lanh.

(a) (b)

Hình 3.5: Biến thiên áp suất trên các mặt cắt ngang đường nạp khi động cơ chạy ở tốc độ 2000 vòng/phút (a) và 5000 vòng/phút (b) (BG=0, không phun nhiên liệu)

Hình 3.5a và hình 3.5b cho thấy độ chân không tại tiết diện S3 lớn nhất trong số các mặt cắt ngang khảo sát. Khi tốc độ tăng thì độ chân không tăng theo, đồng thời biên dạng đường cong áp suất mở rộng. Độ chân không cực đại tại mặt cắt 3 khi động

61

cơ chạy ở tốc độ 5000 vòng/phút gấp 3 lần độ chân không cực đại tại mặt cắt này khi động cơ chạy ở tốc độ 2000 vòng/phút.

(a) (b)

Hình 3.6: Biến thiên áp suất trên các mặt cắt ngang của đường nạp khi động cơ chạy ở tốc độ 2000 vòng/phút (a) và 5000 vòng/phút (b) (BG=30, không phun nhiên liệu) Hình 3.6a và hình 3.6b giới thiệu áp suất tại mặt cắt số 3 khi động cơ chạy ở các tốc độ khác nhau ở chế độ toàn tải và ở chế độ tải cục bộ (BG=30). Chúng ta thấy các đường cong không thay đổi nhiều khi thay đổi tải động cơ tuy nhiên giá trị tuyệt đối của áp suất thay đổi đáng kể. Trung bình độ chân không giảm 20% khi bướm ga đóng 30 so với khi mở hoàn toàn.

(a) (b)

Hình 3.7: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến biến thiên áp suất tại mặt cắt ngang số 3 khi bướm ga mở hoàn toàn (a) và BG=30 (b)

62

Kết quả trên cho thấy độ chân không trên đường nạp giảm khi giảm tốc độ động cơ hoặc/và khi giảm góc mở bướm ga (giảm tải). Vì vậy để đảm bảo quá trình cháy diễn ra hiệu quả thì chúng ta phải điều chỉnh thành phần hỗn hợp khi tốc độ hoặc/và tải động cơ thay đổi. Trong nghiên cứu này, việc điều chỉnh thành phần hỗn hợp được thực hiện bằng cách phun bổ sung xăng vào đường nạp.

Phương thức cấp nhiên liệu khí theo kiểu hút chân không sử dụng van màng cao su. Van cung cấp biogas chỉ mở khi lực hút do độ chân không tác động lên màng cao su lớn hơn lực nén của lò xo. Khi độ cứng lò xo đã cố định thì thời gian mở van phụ thuộc vào tốc độ động cơ. Hình 3.7a và hình 3.7b cho thấy theo nguyên lý hoạt động của van thì góc mở vòi phun khi động cơ chạy ở tốc độ cao lớn hơn khi chạy ở tốc độ thấp. Lượng nhiên liệu cung cấp vào động cơ tỉ lệ với thời gian mở vòi phun (tính theo giây) và chênh áp giữa vòi phun nhiên liệu và đường nạp. Do đó để đảm bảo thành phần hỗn hợp cung cấp cho động cơ có hệ số tương đương  không đổi thì góc mở vòi phun phải tỉ lệ với tốc độ động cơ và góc mở bướm ga. Tuy nhiên rất khó có thể xác định được một sức căng lò xo cố định thỏa mãn được yêu cầu này. Do đó việc điều chỉnh lượng nhiên liệu xăng bổ sung là cần thiết.

(a) (b)

Hình 3.8: Biến thiên áp suất trung bình tại mặt cắt ngang số 3 (a) và biến thiên hệ số tương đương trong xi lanh (b) theo tốc độ động cơ ứng với các góc đóng bướm ga khác nhau (cung cấp biogas M7C3 với góc phun cố định 50TK, không phun xăng)

Hình 3.8a giới thiệu biến thiên áp suất trung bình tại mặt cắt số 3 theo tốc độ

pn (kPa)

p_S3moy-fi_Vs-n_Funtion-BG(pS3)

-40 -30 -20 -10

2000 3000 4000 5000

BG45 BG30 BG15 BG0

n (v/ph)

63

động cơ ứng với các góc mở bướm ga khác nhau. Áp suất trung bình được tính dựa trên tích phân đường cong áp suất theo góc quay trục khuỷu trong kỳ nạp chia cho khoảng góc quay trục khuỷu trong kỳ nạp. Chúng ta thấy ở vùng tốc độ thấp, áp suất trung bình ít bị ảnh hưởng bởi góc mở bướm ga nhưng ở vùng tốc độ cao, áp suất trung bình giảm theo góc mở bướm ga.

Mặc dù khi tăng tốc độ động cơ hoặc tăng góc mở bướm ga thì độ chân độ chân không trên đường nạp tăng, góc mở vòi phun cũng tăng nhưng mức độ tăng thời gian (tính theo giây) mở vòi phun không tỉ lệ với mức độ tăng tốc độ nên hệ số tương đương giảm khi tăng tốc độ động cơ. Mức độ giảm càng cao khi bướm ga càng đóng nhỏ (hình 3.8b). Giải pháp cấp ga bằng một van chân không phổ biến hiện nay không phù hợp với việc cung cấp biogas nghèo cho động cơ. Với giải pháp này, nếu điều chỉnh hỗn hợp hợp lý ở tốc độ thấp thì ở tốc độ cao hỗn hợp quá loãng; nếu điều chỉnh hỗn hợp hợp lý ở tốc độ cao thì ở tốc độ thấp hỗn hợp quá đậm.

Hình 3.9: Đường đồng mức hệ số tương đương  khi cung cấp biogas M7C3 và phun bổ sung xăng (động cơ chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút, BG=0, góc phun xăng 30TK

-60TK, góc phun biogas 60TK -110TK)

64

Đường đồng mức hệ số tương đương trên hình 3.9 cho thấy đầu quá trình nạp, hệ số tương đương cao tập trung ở khu vực các vòi phun nhiên liệu. Khi các vòi phun đóng, nhiên liệu khuếch tán vào không khí tạo nên vùng hệ số tương đương cao phía trên đường nạp. Khi kết thúc quá trình nạp, vùng hệ số tương đương cao tập trung trên đỉnh piston. Cuối quá trình nén, một bộ phận nhỏ nhiên liệu tập trung trên đỉnh buồng cháy, nơi đặt nến đánh lửa. Điều này sẽ tạo thuận lợi cho việc đánh lửa, nhất là khi hỗn hợp tổng quát nghèo.

Hình 3.10: Ảnh hưởng của góc đóng bướm ga BG đến biến thiên hệ số tương đương  theo áp suất trung bình tại mặt cắt ngang số 3 (Biogas M7C3, góc phun 50TK,

không phun xăng)

Như trên đã trình bày, hệ số tương đương của hỗn hợp phụ thuộc cả tốc độ và góc mở bướm ga. Vì thế độ chân không trung bình tại mặt cắt ngang số 3 có thể được xem là thông số tổng hợp nhất có thể được sử dụng để điều chỉnh thành phần hỗn hợp theo chế độ công tác của động cơ. Hình 3.10 giới thiệu ảnh hưởng của góc mở bướm ga đến biến thiên hệ số tương đương theo áp suất trung bình tại mặt cắt ngang số 3. Ở bất kỳ góc mở bướm ga nào cũng như bất kỳ tốc độ động cơ nào, hệ số tương đương

65

của hỗn hợp biogas-không khí đều giảm khi độ chân không trung bình tại mặt cắt số 3 tăng.

Kết quả trên đây cho thấy, để đảm bảo hệ số tương đương =1 thì lượng xăng phun bổ sung phải tăng khi độ chân không trung bình trên đường nạp tăng. Hình 3.11 giới thiệu biến thiên hệ số tương đương theo góc quay trục khuỷu trong trường hợp động cơ chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút, bướm ga đóng BG=30 khi không phun xăng bổ sung và khi phun xăng với góc mở vòi phun 40TK và 60TK. Chúng ta thấy khi góc mở vòi phun xăng 60TK thì hỗn hợp đậm; khi góc mở vòi phun 40TK thì hệ số tương đương xấp xỉ 1.

Hình 3.11: Ảnh hưởng góc phun xăng bổ sung đến biến thiên hệ số tương đương tổng quát trong buồng cháy khi động cơ chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút, BG=30, được cung cấp biogas M7C32 với góc

phun 50TK

Hình 3.12: So sánh biến thiên hệ số tương đương theo tốc độ động cơ khi bướm ga mở hoàn toàn trong trường hợp động cơ chỉ được cung cấp biogas M7C3, góc mở

vòi phun 50TK và trong trường hợp phun bổ sung xăng với lưu lượng 0,5g/s,

góc phun 60TK, ở chế độ toàn tải Hình 3.12 giới thiệu biến thiên hệ số tương đương theo tốc độ động cơ ở chế độ toàn tải trong trường hợp chỉ phun biogas M7C3 và trong trường hợp phun biogas với phun bổ sung xăng với góc phun 60TK. Chúng ta thấy trong điều kiện này thì ở tốc độ thấp, hỗn hợp đậm. Ngược lại ở tốc độ cao thì hỗn hợp loãng. Điều kiện cung cấp nhiên liệu này phù hợp với tốc độ động cơ khoảng 3500 vòng/phút. Bằng phương

66

thức này, chúng ta có thể xác định được thời gian mở vòi phun xăng để đảm bảo thành phần hỗn hợp xấp xỉ 1 ở các chế độ vận hành khác nhau.

(a) (b)

Hình 3.13: Biến thiên thời gian phun xăng bổ sung để đảm bảo =1 theo tốc độ động cơ (a) và theo áp suất trung bình tại mặt cắt số 3 (b) tương ứng với các độ đóng bướm ga khác nhau (Biogas M8C2, góc mở vòi phun biogas 50TK, lưu lượng phun

xăng 0,5g/s)

Hình 3.13a và hình 3.13b giới thiệu thời gian mở vòi phun xăng theo tốc độ động cơ và theo độ chân không trung bình tại mặt cắt số 3 ứng với các chế độ tải khác nhau của động cơ. Chúng ta thấy thời gian phun xăng bổ sung tăng khi tốc độ động cơ hoặc/và khi góc mở bướm ga tăng.

Hình 3.14: Engine map của động cơ chạy bằng biogas-xăng được cung cấp nhiên liệu theo phương thức hybrid

tp_gaso_Vs-n_Function-BG

0 2 4 6 8

2000 3000 4000 5000

BG0 BG15

BG30 BG45

n (v/ph) tp (ms)

tp_gaso_Vs-n_Function-BG

0 2 4 6 8

-40 -30 -20 -10

BG0 BG15 BG30

BG45 pn (kPa) tp (ms)

67

Như vậy thời gian mở vòi phun xăng để cung cấp nhiên liệu bổ sung cho động cơ chạy bằng nhiên liệu hybrid biogas-xăng phụ thuộc vào 3 thông số: tốc độ động cơ, góc mở bướm ga và độ chân không trung bình trên mặt cắt số 3. Mối quan hệ giữa thời gian mở vòi phun xăng và 3 thông số trên chính là engine map của động cơ chạy bằng biogas-xăng được cung cấp nhiên liệu theo phương thức hybrid.

Hình 3.14 giới thiệu engine map của động cơ DA465QE chạy bằng biogas- xăng. Động cơ nhận tín hiệu tốc độ và góc mở bướm ga để tính toán (nội suy) thời gian mở vòi phun xăng từ đó điều khiển vòi phun xăng cung cấp lượng nhiên liệu bổ sung theo yêu cầu.

3.4. Mô phỏng quá trình cháy và phát thải ô nhiễm động cơ DA465QE Towner sử dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng

Mô phỏng là kết quả áp dụng đồng bộ lý thuyết, giả thuyết và mô hình toán học mô tả ở chương 2. Các thông số đầu ra mô hình liên hệ chặt chẽ với nhau thông qua các quy luật khí động học, nhiệt động hóa học ….

Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết ở chương 2 về hệ thống phương trình khí động học, mô hình dòng chảy rối k-, mô hình cháy hỗn hợp đồng nhất cục bộ, mô hình tia phun nhiên liệu lỏng và các mô hình hình thành các chất ô nhiễm, phần này sẽ tính toán ảnh hưởng các yếu tố khác nhau đến tính năng công tác của động cơ.

3.4.1. Ảnh hưởng của hệ số tương đương

Hình 3.15 giới thiệu ảnh hưởng của hệ số tương đương đến biến thiên áp suất trong xi lanh và tốc độ tỏa nhiệt theo góc quay trục khuỷu khi động cơ chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút với nhiên liệu M6C4-20G. Góc đánh lửa sớm được giữ cố định ở 20oTK. Chúng ta thấy khi hỗn hợp giàu thì tốc độ tỏa nhiệt tăng sớm hơn và giá trị cực đại cao hơn trong trường hợp hỗn hợp nghèo do nồng độ nhiên liệu trong hỗn hợp cao hơn. Điều này làm cho áp suất tăng sớm hơn và đỉnh đường cong áp suất gần ĐCT hơn. Tuy nhiên khi hệ số tương đương cao hơn giá trị tối ưu thì áp suất cực đại không tăng nữa do hỗn hợp đậm đặc dẫn đến quá trình cháy không hoàn toàn (hình 3.16). Nếu hệ số tương đương tiếp tục tăng thì áp suất cực đại bắt đầu giảm, làm giảm diện tích đồ thị công dẫn đến giảm công chỉ thị chu trình (hình 3.17). Bảng 3.5 cho thấy đối với nhiên liệu M6C4-20G thì hệ số tương đương tối ưu khoảng 1,1.

68

Hình 3.15: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến biến thiên áp suất và tốc độ tỏa nhiệt (nhiên liệu M6C4-20G, n=3000 v/ph, BG=0)

Hình 3.16: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến biến thiên áp suất trong buồng cháy, nhiên liệu biogas M6C4 bổ sung 20% xăng (M6C4-20G), chạy ở tốc độ 3000

vòng/phút.

Bảng 3.5: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến công suất và công chu trình

Hệ số  0,9 0,95 1,0 1,05 1,1 1,15

n(vg/ph) 3000 3000 3000 3000 3000 3000

Wi(J/cyc) 270,7658 28,8604 292,8376 299,0797 301,1066 300,685 Pe(kW) 23,01509 23,95814 24,89119 25,42178 25,59406 25,55823

69

Hình 3.17: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến đồ thị công; nhiên liệu biogas M6C4 bổ sung 20% xăng (M6C4-20G), chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút, BG=0.

Hình 3.18: Biến thiên nhiệt độ cháy khi thay đổi hệ số tương đương tại Biogas M6C4 bổ sung 20% xăng (M6C4-20G), chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút, BG=0.

Hình 3.18 và hình 3.19 giới thiệu ảnh hưởng của hệ số tương đương đến biến thiên của nhiệt độ và nồng độ NOx khi động cơ chạy bằng nhiên liệu M6C4-20G. Có thể thấy với hàm lượng xăng cho trước, các đường cong T, NOx đạt giá trị cực đại ứng với hệ số tương đương tối ưu =1,1. Khi hệ số tương đương nhỏ hơn hay lớn hơn

70

giá trị tối ưu thì nhiệt độ cháy đều giảm. Nồng độ NOx phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ cháy do đó cũng giảm khi hỗn hợp giàu hay nghèo. Hình 3.18 cho thấy nhiệt độ cháy bắt đầu giảm khi  lớn hơn 1,2. Tương tự như vậy nồng độ phát thải NOx cũng bắt đầu giảm khi  lớn hơn 1,1.

Hình 3.19: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến nồng độ NOx khi động cơ chạy tại biogas M6C4 bổ sung 20% xăng (M6C4-20G), chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút, BG=0

(a) (b)

Hình 3.20: Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến nồng độ CO (a) và nồng độ HC (b) theo góc quay trục khuỷu tại biogas M6C4 bổ sung 20% xăng (M6C4-20G), chạy ở

tốc độ 3000 vòng/phút.

71

Thành phần CO và HC trong khí thải phụ thuộc mạnh vào hệ số tương đương của hỗn hợp và trạng thái cân bằng động học phản ứng. Khi hỗn hợp nghèo, nhiên liệu cháy hoàn toàn nên thành phần CO, HC gần như bằng 0. Với thành phần hỗn hợp cháy hoàn toàn (=1), về lý thuyết thì hỗn hợp cháy hoàn toàn, không phát sinh CO và HC. Hỗn hợp càng giàu ( lớn) thì phát thải CO, HC càng lớn). Tuy nhiên do phân bố hỗn hợp không hoàn toàn đồng nhất và do các phản ứng cân bằng nhiệt động học, trong sản phẩm cháy vẫn tồn tại một tỉ lệ nhất định CO, HC trong trường hợp hỗn hợp nghèo (hình 3.20a và hình 3.20b).

(a) (b)

Hình 3.21: Biến thiên nhiệt độ và phát thải ô nhiễm (a), biến thiên công chỉ thị chu trình và công suất động cơ (b) theo hệ số tương đương (nhiên liệu M6C4-20G,

n=3000 v/ph, s=20oTK, BG=0)

Hình 3.21a, b biểu diễn biến thiên tính năng công tác và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ theo hệ số tương đương. Chúng ta thấy trong khoảng hệ số tương đương 0,9-1,15 thì nhiệt độ cháy chỉ thay đổi nhẹ, nồng độ NOx đạt giá trị cực đại tương ứng với  khoảng 1,1. Trong khi đó nồng độ CO, HC tăng rất mạnh khi >1.

Công chỉ thị chu trình và công suất của động cơ đạt giá trị cực đại ứng với hệ số tương đương tối ưu.

Các kết quả trên cho thấy để nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm phát thải ô nhiễm thì chúng ta cần phối hợp nhiên liệu và tổ chức quá trình cháy sao

72

cho hệ số tương đương tối ưu càng gần giá trị cháy hoàn toàn lý thuyết càng tốt.

3.4.2. So sánh tính năng động cơ khi chạy bằng biogas/xăng

Trước khi đánh giá ảnh hưởng thành phần nhiên liệu đối với quá trình cháy chúng ta nghiên cứu tính năng của động cơ khi chạy bằng xăng, methane, hỗn hợp 50% xăng + 50% methane và khi chạy bằng biogas có thành phần CH4 khác nhau.

Động cơ chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút, hệ số tương đương =1, góc đánh lửa sớm được giữ cố định ở 20oTK.

(a) (b)

Hình 3.22: Biến thiên áp suất trong xi lanh (a) và đồ thị công (b) khi động cơ chạy bằng xăng, methane, hỗn hợp xăng-methane và biogas (n=3000 v/ph, =1,

s=20oTK, BG=0)

Các hình 3.22a, b cho thấy cùng điều kiện tốc độ, góc đánh lửa sớm và hệ số tương đương thì áp suất cực đại và đồ thị công khi chạy bằng xăng lớn nhất. Khi chạy bằng xăng, do bốc hơi nhiên liệu lỏng làm giảm nhiệt độ nên hệ số nạp của động cơ tăng làm tăng công chỉ thị chu trình. Khi động cơ chạy bằng khí methane do nhiên liệu khí choán chỗ, làm giảm hệ số nạp nên công chỉ thị chu trình nhỏ hơn trường hợp chạy bằng xăng. Khi động cơ chạy bằng biogas, do thành phần khí trơ CO2 có mặt trong biogas làm nhiệt trị của nhiên liệu và giảm hệ số nạp của động cơ nên công chỉ thị chu trình giảm khi giảm hàm lượng CH4.

0 8 16 24 32 40

150 180 210 240 270 300

p (bar)

 (TK)

G100 M100 G5M5 M8C2 M7C3 M6C4

0 8 16 24 32 40

0 60 120 180 240 300

p (bar)

V (cm3)

G100 M100 G5M5 M8C2 M7C3 M6C4