CHƯƠNG II MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH SINH CÔNG ĐỘNG CƠ RSX CHẠY BẰNG NHIÊN LIỆU KHÍ
2.3. Ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình cháy của động cơ xe Honda Wave α
2.3.6. Ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu đến quá trình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức
Khi bắt đầu quá trình cháy, nồng độ CH4
giảm nhanh. Điều này, đồng nghĩa với việc tốc độ cháy và tốc độ lan tràn màng lửa diễn ra mạnh mẽ. Sau giai đoạn này tốc độ cháy có xu hướng giảm dần. Nhiên liệu M80C20 có lượng CH4 cháy cao hơn nhiên liệu M70C30 và M60C40 nên nhiệt lượng tỏa ra lớn hơn. Nồng độ oxy còn lại trong khí xả tỉ lệ nghịch với nồng độ CH4 có mặt trong nhiên liệu (hình 2.23). Cho dù còn thừa oxy trong hỗn hợp nhưng nhiên liệu vẫn không cháy kiệt. Nồng độ CH4 trong hỗn hợp cuối quá trình cháy càng
cao khi nhiên liệu càng giàu. Nồng độ CH4 trong hỗn hợp còn lại cuối quá trình cháy là do lượng hỗn hợp trong lớp biên không cháy được chứ không phải do nồng độ CO2
trong nhiên liệu gây ra (hình 2.8).
0 1 2 3 4 5 6 7
0 45 90 135 180 225 270 315 360 P(MPa)
φ(0) n=8000(v/ph) n=6000(v/ph) n=3000(v/ph)
0 500 1000 1500 2000 2500
0 60 120 180 240 300 360
T(K)
φ(0) n=8000(v/ph)
n=6000(v/ph) n=3000(v/ph)
Hình 2.20 Biến thiên áp suất chỉ thị theo góc quay trục khuỷu ứng với các tốc độ khác nhau của động cơ (φs=300)
Hình 2.21 Biến thiên nhiệt độ trung bình của hỗn hợp trong buồng cháy theo góc quay trục khuỷu ứng với các tốc độ khác nhau của động cơ (φs=300)
Hình 2.22 Ảnh hưởng của nhiên liệu đến biến thiên nồng độ CH4
(n=5000 vòng/phút, s=34)
0 1 2 3 4 5 6
0 45 90 135 180 225 270 315 360 XCH4(%)
80%CH4
70%CH4
60%CH4
φ(0)
Sự khác biệt về lượng CH4 bị oxy hóa khi thay đổi thành phần nhiên liệu dẫn đến sự khác biệt về biến thiên nhiệt độ trung bình trong buồng cháy (hình 2.25).
Nhiệt độ trung bình cực đại ứng với nhiên liệu M80C20 cao hơn nhiệt độ trung bình cực đại ứng với nhiên liệu M70C30 khoảng 500K và M60C40 khoảng 800K.
Tương ứng với độ chênh lệch áp suất cực đại trong buồng cháy động cơ khi sử dụng các nhiên liệu M90C10, M80C20, M70C30 và M60C40 là 42 bar xuống còn 29 bar (hình 2.23).
Hình 2.24 Ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu đến áp suất chỉ thị trong buồng cháy (n=3000 vòng/phút, s=30)
Hình 2.25 Ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu đến nhiệt độ trung bình trong buồng cháy (n=3000 v/ph,
s=30)
Sự hiện diện của khí trơ (CO2) trong buồng cháy làm giảm nhiệt độ của sản phẩm cháy do khí trơ hấp thụ một phần năng lượng do quá trình cháy CH4 tỏa ra. Khi thành phần CH4 trong nhiên liệu biogas càng lớn thì áp suất chỉ chị càng tăng (hình 2.24 và hình 2.26).
0 10 20 30 40 50
0 45 90 135 180 225 270 315 360 Pi(Bar)
φ(0) M6C4
M7C3
M8C2 M9C1
0 500 1000 1500 2000 2500
0 45 90 135 180 225 270 315 360 φ(0) T(K)
%CH4=80
%CH4=60
%CH4=70 0
10 20 30 40 50
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 Pi(Bar)
V(lit) M6C4
M7C3 M8C2 M9C1
Hình 2.23 Ảnh hưởng của nhiên liệu đến biến thiên nồng độ O2 (n=5000 vòng/phút, s=34)
Kết quả trên đây cho thấy với một nhiên liệu biogas có thành phần cho trước thì góc đánh lửa sớm và tốc độ góc của động cơ là 2 yếu tố vận hành ảnh hưởng đến quá trình cháy, do đó ảnh hưởng đến tính năng kinh tế - kỹ thuật của động cơ.
2.4. Kết luận
Những kết quả nghiên cứu trên đây cho phép chúng ta rút ra được những kết luận sau:
• Kết quả nghiên cứu trên đây cho thấy, nhiên liệu biogas có thành phần CH4 thấp thì phải tăng góc đánh lửa sớm của động cơ để đạt được công chỉ thị tối ưu. Kết quả này cũng cho thấy nếu giữ nguyên góc đánh lửa sớm và tốc độ góc động cơ cố định khi thay đổi thành phần nhiên liệu từ 60% CH4 lên 95%
CH4, công chỉ thị theo chu trình không tăng tuyến tính theo thành phần của nhiên liệu (hình 2.27).
• Ở tốc độ góc động cơ cho trước, góc đánh lửa sớm có một giá trị tối ưu. Giá trị góc đánh lửa sớm tối ưu này của động cơ khi sử dụng nhiên liệu biogas lớn hơn khi sử dụng xăng khoảng từ 6 đến 10 độ.
• Khi động cơ chạy với nhiên liệu biogas chứa 80% thể tích methane, góc đánh lửa sớm tối ưu dao động từ 20 đến 34 độ khi tốc độ động cơ thay đổi từ 3000 vòng/phút đến 8000 vòng/phút.
• Nồng độ CO2 trong nhiên liệu không làm ảnh hưởng đến quá trình oxy hóa CH4 nhưng ảnh hưởng đến nhiệt độ và áp suất cháy cực đại. Trong điều kiện tính toán, nhiệt độ cực đại giảm 500K và áp suất cực đại giảm 1MPa khi nồng độ mol của CO2 trong nhiên liệu tăng từ 30% lên 40%.
• Góc đánh lửa sớm ảnh hưởng mạnh mẽ đến hiệu quả quá trình cháy. Nhiên liệu càng nghèo và tốc độ động cơ càng cao, góc đánh lửa sớm tối ưu càng lớn. Khi tăng số
0 4 8 12 16 20 24
0 45 90 135 180 225 270 315 360 XO2(%)
φ(0) 70%CH4
80%CH4
60%CH4
70 80 90 100 110 120
60 65 70 75 80 85 90 95
%CH4 Wi(kJ)
Hình 2.27 Ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu đến biến thiên nhiệt độ trung bình trong buồng cháy (n=5000 vòng/phút, s=30)
Hình 2.26 Ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu đến đồ thị công chỉ thị (n=5000 vòng/phút, s=30)
vòng quay góc đánh lửa sớm cũng phải tăng theo. Thực tế động cơ xe gắn máy không thể thay đổi theo yêu cầu trên đối với hỗn hợp biogas – không khí. Do đó khi sử dụng biogas cho xe gắn máy nên vận hành ở vùng tốc độ góc động cơ trung bình để khả dĩ có thể có được góc đánh lửa sớm phù hợp cho nhiên liệu sử dụng. Kết luận này cũng định hướng cho việc nghiên cứu thực nghiệm khả năng sử dụng biogas cho xe gắn máy.Có thể dự báo quá trình cháy, xác định các thông số vận hành tối ưu của động cơ bằng phương pháp mô phỏng, giảm bớt chi phí thực nghiệm khi chuyển đổi nhiên liệu xe gắn máy sử dụng xăng sang nhiên liệu biogas.