Tính toán mô phỏng cung cấp nhiên liệu khí thiên nhiên (CNG) phun trực tiếp trong động cơ có tỷ số nén cao

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG







LÊ VĂN TỤY





TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG CUNG CẤP

NHIÊN LIỆU KHÍ THIÊN NHIÊN (CNG)

PHUN TRỰC TIẾP

TRONG ĐỘNG CƠ CÓ TỶ SỐ NÉN CAO




Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ NHIỆT
Mã số: 62.52.34.01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT







Đà Nẵng – 2009


1

MỞ ĐẦU

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI: Tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu ô
nhiễm môi trường luôn là mục tiêu nghiên cứu của ngành động cơ. Trong tình hình
dầu mỏ đang cạn kiệt và sự biến đổi khí hậu đang trở thành hiểm họa đối với loài
người thì vấn đề nêu trên càng trở thành mối quan tâm hàng đầu của cả thế giới.
Song song với việc hoàn thiện các hệ thống c
ủa động cơ đốt trong để nâng
cao hiệu suất nhiệt, giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm thiểu ô nhiễm môi trường thì
các dự án, các chương trình nghiên cứu tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế và sử
dụng hiệu quả nguồn năng lượng này cũng đã và đang được các nhà khoa học tập
trung nghiên cứu. Trong các nguồn nhiên liệu thay thế thì khí thiên nhiên được
quan tâm hàng đầu nhờ tính chất cực sạch của nó, trữ lượng l
ại lớn và phân bố
khắp nơi trên trái đất. Với lý do đó đề tài «Tính toán mô phỏng cung cấp nhiên

liệu khí thiên nhiên (CNG) phun trực tiếp trong động cơ có tỷ số nén cao» của
luận án có ý nghĩa hết sức to lớn và mang tính cấp thiết cao, nó không những góp
phần làm đa dạng hóa nguồn nhiên liệu cho động cơ nhiệt trong khi dầu mỏ đang
cạn kiệt mà còn góp phần tiết kiệm năng lượng và giảm thi
ểu ô nhiễm môi trường
trong tình hình mới.
MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU: Ngoài mục đích giảm thiểu ô nhiễm môi
trường, làm phong phú nguồn nhiên liệu dùng cho các phương tiện giao thông vận
tải, đề tài còn hướng tới mục đích sử dụng hiệu quả hơn nguồn nhiên liệu mới sạch
này trong động cơ có tỷ số nén cao nhằm nâng cao hiệu suất và công suất động cơ,
sử dụng tiết kiệm nhiên li
ệu khí thiên nhiên (CNG).
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU: Như tên đề tài và với mục
đích nghiên cứu đã chỉ rõ, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án là hệ
thống phun trực tiếp nhiên liệu khí thiên nhiên cho động cơ có tỷ số nén cao.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU : Luận án sử dụng phương pháp nghiên
cứu tổng hợp; trong đó chủ yếu là phương pháp mô phỏng; theo đó đưa hệ thực về
hệ
qui ước tương đương, qua đó xây dựng mô hình tính toán động lực học cho hệ
thống. Ngoài ra, luận án còn sử dụng các công cụ mô phỏng hóa bằng số với sự trợ
giúp của máy tính thông qua phần mềm lập trình trực quan bằng ngôn ngữ
Microsoft Visual Basic để giải các hệ phương trình vi-tích phân của mô hình. Hơn
nữa, để khẳng định tính đúng đắn và tin cậy của của mô hình và phương pháp, kết
quả cho bởi mô hình được kiể
m chứng bởi các mô hình thực nghiệm tương đương.
2

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI:
Bằng giải pháp phun trực tiếp hai giai đoạn nhiên liệu khí thiên nhiên cho
động cơ có tỷ số nén cao, ngoài việc nâng cao hiệu suất và công suất động cơ nhiệt

sử dụng nhiên liệu thay thế; luận án còn chỉ ra hướng phát triển chuyển đổi cho
động cơ diesel khi mà nhiên liệu diesel không còn. Vì vậy đề tài của luận án không
những có ý nghĩa khoa học lớn trong việc sử dụng hiệ
u quả hơn nhiên liệu khí
thiên nhiên mà còn mang tính thực tiễn cao trong quá trình chuyển đổi động cơ
xăng và diesel truyền thống sang động cơ sinh thái cho tương lai khi tình hình
nhiên liệu có dấu hiệu khủng hoảng, dầu mỏ đang cạn kiệt và tình hình biến đổi khí
hậu ngày một trở nên nghiêm trọng.
NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI VỀ MẶT KHOA HỌC CỦA LUẬN ÁN :
c Luận án xây dựng được mô hình tính toán hệ thống phun trực tiếp hai giai
đ
oạn nhiên liệu khí thiên nhiên điều khiển bởi rơ-le điện từ kép cho động cơ có tỷ
số nén cao tương tự như diesel mà không phụ thuộc vào nhiên liệu diesel. Lượng
phun chu trình được xác định theo mô hình tích phân ở công thức (2.41):
d Luận án chỉ ra đặc trưng kiểm soát thông minh và linh hoạt của rơ-le điện
từ kép (hình 3.18b) đối với hai van cấp/xả của nhánh điều khiển vòi phun; theo đó
cho phép loại b
ỏ thời kỳ trùng điệp của chúng trong giai đoạn quá độ đóng kim
phun, rút ngằn thời gian phun, kết thúc phun dứt khoát; góp phần khống chế hiện
tượng kích nổ đối với nhiên liệu khí thiên nhiên trong động cơ có tỷ số nén cao.
e Luận án xây dựng được mô hình tia phun rối khuếch tán tích hợp «Gauss-
Hiroyasu» đối với tia phun nhiên liệu khí trong buồng cháy động cơ:
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡

⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣

⎡
+
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
=
=
2
2
2
2
2
max
3
2
3
1
2
2

1),,(
b
y
Exp
S
x
Expx
D
C
tg
C
yzyxC
tf
t
(5.36)
f Luận án xây dựng được phần mềm tính toán mô phỏng đối với hệ thống
phun trực tiếp hai giai đoạn nhiên liệu khí thiên nhiên áp dụng cho động cơ có tỷ
số nén cao. Phần mềm còn cho phép nhúng kết linh hoạt mô hình tia phun nhiên
liệu khí trong buồng cháy động cơ với mô hình hệ thống phun trực tiếp mà luận án
đã thiết lập. Tia phun được mô phỏng dưới dạng biểu đồ màu và tọa độ nồng độ
trong h
ệ tọa độ hai chiều (2D); qua đó cho phép phân tích trực quan trường phân
bố nồng độ tia phun nhiên liệu khí trong buồng cháy động cơ; sự phát triển tia
phun theo thời gian và ảnh hưởng của các yếu tố vận hành khác đến tia phun.
3

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án được trình bày trong 5 chương:
Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu khí thiên
nhiên cho động cơ có tỷ số nén cao tương tự như động cơ diesel.
Chương 2: Nghiên cứu xây dựng mô hình phun trực tiếp nhiên liệu khí cho

động cơ đốt trong với nhánh điều khiển được kiểm soát bởi rơ-le điện từ.
Chương 3: Xây dựng phầ
n mềm tính toán mô phỏng hệ thống phun trực tiếp
nhiên liệu khí thiên nhiên cho động cơ đốt trong bằng ngôn ngữ lập trình trực quan
Microsoft Visual Basic. Qua đó cho phép phân tích diễn biến các thông số đặc
trưng của hệ thống phun; phân tích đánh giá ảnh hưởng của các thông số kết cấu
cũng như các yếu tố vận hành đến quá trình phun. Tính toán phát triển mô hình với
phương pháp phun hai giai đoạn cho động cơ có tỷ số nén cao như diesel với kiể
u
điều khiển bằng rơ-le điện từ kép tốc độ cao.
Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm về sự phát triển tia phun trong buồng
cháy động cơ bằng máy chụp hình tốc độ cao. Nghiên cứu thực nghiệm trường
phân bố tốc độ tia phun bằng phương pháp Laser Doppler Anemometry (LDA).
Chương 5: Xây dựng mô hình mô phỏng tia phun nhiên liệu khí trong buồng
cháy động cơ. Phân tích kết quả cho bởi mô hình bằng biểu đồ màu kế
t hợp với tọa
độ nồng độ trong không gian hai chiều (2D).

Chương 1
TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ THIÊN
NHIÊN TRONG ĐỘNG CƠ CÓ TỶ SỐ NÉN CAO
1.1. VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG VÀ MÔI TRƯỜNG TRONG GIAO THÔNG
VẬN TẢI.
Trước tình hình cạn kiệt của dầu mỏ và sự nóng lên của bầu khí quyển,
ngoài các giải pháp hoàn thiện động cơ thì việc tìm kiếm các nguồn nhiên liệu mới
thay thế là mục tiêu hướng tới của phần lớn các nghiên cứu phát triển hiện nay trên
thế giới; và đó cũng là mục tiêu hướng tới của đề tài. Trong các loại nhiên liệu mớ
i
sạch, thì nhiên liệu khí thiên nhiên (CNG) được các nhà khoa học quan tâm hàng
đầu vì CNG là nguồn nhiên liệu sạch và đầy triển vọng cho ôtô sinh thái tương lai.

Một ưu điểm nổi bậc nữa của CNG là nó có tính chịu nén tốt và tính chống kích nổ
cao nên có thể ứng dụng làm nhiên liệu không những thuận lợi đối với động cơ
xăng mà cả động cơ có tỷ số nén cao như diesel chuyển đổi theo hướng động cơ
nhiên liệ
u kép (Dual-fuel) hoặc động cơ sử dụng thuần khí thiên nhiên CNG.
4

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ THIÊN
NHIÊN TRONG GIAO THÔNG VẬN TẢI.
1.2.1 Đặc điểm nhiên liệu khí thiên nhiên. Nhiên liệu khí thiên thiên hình thành
đồng hành cùng dầu mỏ, có thành phần chính là khí methane CH
4
ở thể khí trong
điều kiện thường, hóa lỏng ở áp suất 1atm và nhiệt độ âm -162
0
C. Đây là loại
nhiên nhiệu sạch nhất trong các nhiên liệu hóa thạch vì có thành phần carbon ít
nhất, phân bố khớp nơi và chưa được khai thác nhiều như dầu mỏ.
1.2.2 Tình hình nghiên cứu sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên trong giao
thông vận tải. Tháng 12/2006 đã có hơn 6 triệu phương tiện giao thông vận tải
dùng nhiên liệu khí thiên nhiên ở 72 quốc gia trên thế giới.
1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ THIÊN
NHIÊN CHO ĐỘNG CƠ CÓ TỶ SỐ NÉN CAO.
Cũ
ng giống như xăng và khí dầu mỏ hóa lỏng LPG, nhiên liệu khí thiên
nhiên dễ hình thành kích nổ khi áp dụng trong động cơ có tỷ số nén cao. Theo kết
quả nghiên cứu của nhiều công trình thì với hỗn hợp hòa trộn trước đồng nhất có tỷ
lệ tương đương gần với lý thuyết, nhiên liệu CNG chỉ có thể phát huy hiệu quả với
động cơ CNG có tỷ số nén quanh giá trị ε = 12. Để có thể ứng dụ
ng khí thiên nhiên

trong động cơ có tỷ số nén cao như diesel, nhất thiết phải phun trực tiếp với các
giải pháp như sau .
1.3.1 Phun trực tiếp CNG với kiểu vòi phun liên hợp kép Diesel-CNG.
Đây là giải pháp tiên tiến và hiện đại, và đã được tập đoàn năng lượng
Westport (Hoa kỳ) nghiên cứu thành công và đăng ký bản quyền từ tháng 5/2008.
Theo đó, nắp máy động cơ diesel được thay đổi để thay vòi phun diesel bởi tổ hợp
vòi phun liên hợp kép Diesel-CNG có áp suất cao lên
đến 3000÷3500[Psi]; trong
đó nhiên liệu diesel chủ yếu làm mồi lửa.
Tuy vậy nhược điểm của phương pháp là hệ thống cung cấp rất phức tạp vì
phải sử dụng đồng thời hai nguồn cung cấp nhiên liệu cho tổ hợp vòi phun kép;
mặt khác, giải pháp này vẫn còn phụ thuộc vào nhiên liệu diesel vốn gây ô nhiễm.
1.3.2 Phun nhiên liệu khí thiên nhiên (CNG) vào buồng cháy phụ.
Giải pháp phun nhiên liệu thuần khí CNG vào buồng cháy phụ (hình h1.7)
vớ
i áp suất phun thấp 600÷1200[Psi] do lượng phun không cần lớn; thậm chí chỉ
cần đủ làm ngọn lửa mồi cho hỗn hợp loãng trong buồng cháy chính.
Phần nhiên liệu CNG trong buồng cháy chính được cấp qua đường nạp có
hỗn hợp loãng để tránh hiện tượng kích nổ. Ưu điểm của phương pháp là không
5

còn phụ thuộc vào nhiên liệu
diesel vốn gây ô nhiễm. Tuy vậy
lượng nạp chu trình chủ yếu cấp
qua đường nạp nên còn nhiều
nhược điểm như hiệu suất thấp,
tổn thất nhiên liệu qua đường thải
bởi góc trùng điệp của xupap nạp
thải, tăng ô nhiễm do HC và CH
4

chưa cháy thoát sớm ra ngoài. Hơn
nữa, nó còn tăng tổn thất nhiệt do
diện tích buồng cháy tăng. Mặc
khác, tỷ số nén động cơ trong trường hợp này bị giới hạn bởi hiện tượng cháy kích
nổ do hỗn hợp hòa trộn trước có tỷ lệ cao.
1.3.3 Phun trực tiếp CNG với kiểu vòi phun CNG vào buồng cháy thống nhất.
Hệ thống phun trực tiếp với kiểu vòi phun CNG vào buồng cháy thống nhấ
t
trên cơ sở động cơ diesel chuyển đổi theo hướng giảm tỷ số nén để khống chế hiện
tượng kích nổ được quan tâm nhiều hơn cả. Chẳng hạn như Ouellette P. and Philip
G. Hill (1992) làm kín vòi phun nhờ kim phun hình nấm, khống chế kích nổ bằng
vòi phun mồi diesel. Với Cox G. B. và cộng sự (2000) thì phun vào buồng cháy
xoáy lốc, làm kín vòi phun bằng mạch dầu riêng, khống chế kích nổ bằng cách
giới hạn tỷ số nén ε
≤ 16. Với David A. Blank (2004) [65] cũng vậy khống chế
kích nổ nhờ giảm tỷ số nén ε < 16 bằng cách tạo thêm buồng cháy mi-ni trong
buồng cháy xoáy lốc trên đầu piston. Còn với John T. Kubesh (2002) [78] thì phát
triển động cơ kiểu cung cấp qua họng Venturi thành động cơ hỗn hợp vừa hút vừa
phun trực tiếp để cải thiện hiệu suất và giảm thiểu ô nhiễm NO
x
; tuy vậy lượng
cung cấp chính thông qua đường nạp nên vấp phải những nhược điểm tương tự giải
pháp phun vào buồng cháy phụ; và tỷ số nén không cao vì giới hạn kích nổ.
1.4 KẾT LUẬN . Để nâng cao hơn nữa tỷ số nén cho động cơ sử dụng nhiên liệu
thuần khí thiên nhiên CNG nhằm nâng cao hiệu suất nhiệt và tiết kiệm nhiên liệu,
giải pháp mà luận án đưa ra là phun trực tiếp hai giai đo
ạn: giai đoạn phun sớm
thực hiện đầu quá trình nén để tạo hỗn hợp đồng nhất loãng (φ ≤ 0,6) và giai đoạn
phun muộn nhanh vào cuối chu trình nén để tạo hỗn hợp đậm phân lớp. Hệ thống

phun hai giai đoạn được điều khiển bởi rơ-le điện từ kép tốc độ cao (hình 3.18b).

Hình 1.7: Vòi phun CNG và buồng cháy phụ.
6

Chương 2
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH HỆ THỐNG PHUN
TRỰC TIẾP NHIÊN LIỆU KHÍ THIÊN NHIÊN ĐIỀU KHIỂN
ĐIỆN TỬ CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
.
Để không phụ thuộc vào dầu mỏ đang cạn kiệt, luận án chọn giải pháp phun
trực tiếp nhiên liệu khí thiên nhiên cho động cơ có tỷ số nén cao như diesel theo
hai giai đoạn: phun sớm tạo hỗn hợp đồng nhất loãng (φ ≤ 0,6) và phun muộn
nhanh để tạo hỗn hợp đậm phân lớp; hệ thống điều khiển được kiểm soát bởi rơ-le
điện từ kép tốc độ cao. Để đơn giản cho việc xây dựng mô hình đồng thời làm cơ
sở cho việc kiểm chứng tính đúng đắn và tin cậy của mô hình cũng như phương
pháp tính so với thực nghiệm, trong chương 2 này, trước tiên, rơ-le điện từ đơn
thông dụng được áp dụng trước cho việc mô hình hóa.
2.1 MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG PHUN TRỰC TIẾP NHIÊN LIỆU KHÍ
THIÊN NHIÊN ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ.
2.1.1 Mô hình hệ th
ống phun trực tiếp nhiên liệu CNG điều khiển điện tử.
Mô hình hệ thống phun trực tiếp
kiểu rơ-le điện từ đơn thông
dụng được thể hiện ở hình H2.1.
Nhiên liệu CNG từ bình chứa có
áp suất cao 3600 [Psi] sẽ được
điều chỉnh đến áp suất cần thiết
trong ống chung (1) để đến đầu
rẻ nhánh (3), từ đây một nhánh

được d
ẫn đến buồng phun (5) của
vòi phun; nhánh thứ hai được
dẫn đến buồng cao áp (15) của
rơ-le điện từ, rồi qua van nạp
(14), đến khoang (9) trên đỉnh
piston (8) của kim phun (6) nhằm
thực hiện điều khiển quá trình
phun.

2.1.2 Mô hình hóa các phần tử hệ thống phun trực tiếp điều khiển điện tử.
18
6
7
8
9
10
1 2 3
4
5
11
121315 141617
Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống phun CNG trực
tiếp điều khiển điện tử.

7

Từ sơ đồ mô hình hệ
thống phun như hình H2.1,
luận án tiến hành mô hình

hóa các phần tử thực tế bởi
các phần tử qui ước, để từ
đó thiết lập sơ đồ mô hình
tính toán cho hệ thống như
trên hình H2.4. Trong
đó, các khoang chứa nhiên
liệu CNG được thay thế bởi
các dung tích V
j
tương ứng ;
các phần tử biên tương tác
lên hệ thống được thay thế
bởi các “điều kiện biên” – kí hiệu B
i
- và được đặc trưng bởi các phương trình đặc
tính biên tương ứng (mục 2.2.2). Các phần tử tiết lưu được thay thế bởi tiết lưu
tương đương và được đặc trưng bằng khả năng thông qua là (μS)
i
, trong đó μ là hệ
số lưu lượng còn S là diện tích tiết diện thông qua của tiết lưu, và i là chỉ số biểu
thị cho tiết lưu thứ i.

2.2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO HỆ THỐNG PHUN TRỰC
TIẾP NHIÊN LIỆU KHÍ CNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ.
2.2.1 Thiết lập các phương trình động lực học nhiên liệu khí CNG cho hệ
thống phun trực tiếp điều khiển đ
iện tử.
2.2.1.1 Thiết lập các phương trình cân bằng lưu lượng cho các dung tích.
Từ sự cân bằng lưu lượng đối với phần tử dung tích V
i

, áp dụng phương
trình trạng thái và phương trình đoạn nhiệt, phương trình vi phân tổng quát biểu
diễn sự biến đổi áp suất p
i
trong dung tích V
i
được thiết lập.
)(tV
kp
dt
dV
QQ
dt
dp
i
ii
l
il
k
ki
i
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−
⎟
⎠

⎞
⎜
⎝
⎛
−=
∑∑
(2.5)
2.2.1.2 Thiết lập các phương trình động lực học qua các tiết lưu
Bằng cách áp dụng phương trình Bernoulli cho các phần tử tiết lưu, sử dụng
thêm các phương trình liên tục, phương trình đoạn nhiệt, sau khi biến đổi ta có
phương trình vi phân mô tả chuyển động của dòng khí qua các phần tử tiết lưu.
V
1
B
0
V
2
V
5
V
6
V
8
V
7
B
4
B
9
B

10
B
3
(
μ
S)
1
(
μ
S)
2
(
μ
S)
6
(
μ
S)
8
(
μ
S)
5
(
μ
S)
3
(
μ
S)

9
(
μ
S)
7
(
μ
S)
7
+-

Hình 2.4: Sơ đồ tính hệ thống phun trực tiếp - rơle
điện từ đơn.
8

()
()
⎪
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
+=
⎥

⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
−
−
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡

⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
−
=
∑
−
−
2
1
1
21
1
2
2
1
1
2
ij
ij
ij
ij
k
k

i
j
i
i
ij
ij
k
k
i
j
i
jjij
v
dt
dv
l
p
p
p
k
k
dt
dv
l
p
p
k
a
SQ
ξ

ρ
μ
(2.10)
2.2.2 Thiết lập các điều kiện biên cho hệ thống phun trực tiếp nhiên liệu khí
CNG điều khiển điện tử.
2.2.2.1 Đặc tính nguồn cung cấp.
Các thông số tại biên nguồn cung cấp và bình hồi về là không đổi (hằng số)
theo điều kiện biên ổn định được cho trước.
2.2.2.2 Phương trình cân bằng chuyển động của kim phun.
Phương trình cân bằng kim phun dưới tác dụng của các biên cũng như áp suất trong hệ
thống được cho theo (2.21) và minh họa trên hình 2.11.
0][
11
=±±−−−
∑∑
==
mskkkklx
l
j
jj
n
i
ii
FxmCxFSpSp
&&
(2.21)

2.2.2.3 Phương trình cân bằng lưu lượng và áp suất tại miệng vòi phun.
Phương trình vi phân mô tả sự biến thiên áp suất (hình H4.4) và nhiệt độ của
hỗn hợp trong xy lanh tác dụng lên miệng vòi phun được viết như sau.

⎪
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+=
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
+
⎟
⎟
⎠

⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+−=
ααα
ααα
d
dV
Vd
dp
p
T
d
dT
d
dQ
v
c
R
d
dV
p
v
c
R
Vd
dp
11

1
1
(2.29)

F
F
qt
qt
F
ms
F
ms
F
lx
F
lx
p
7
p
2
p
xl
F
F
qt
qt
F
ms
F
ms

F
F
qt
qt
F
ms
F
ms
F
lx
F
lx
p
7
p
2
p
2
p
xl
p
xl


Hình 2.11: Sơ đồ lực tác dụng lên kim phun.
9

0 45 90 135 180 225 270 315 360 405 450 495
TÝn hiÖu nhÊc kim phun
¸

p suÊt trong
buång ch¸y
TÝn hiÖu ®¸nh löa
TÝn hiÖu §CT
[§é]
§iÖn thÕ (Vol)


Hình 4.4. Các tín hiệu nhận được từ động cơ Transparence

2.2.2.4 Qui luật đóng mở van cấp – xả điều khiển bởi rơ-le điện từ.
Phương trình đặc tính biên thuộc nhánh điều khiển có thể được mô tả bởi
đặc tính cân bằng chuyển vị của rơ-le điện từ như sau (hình H2.12).
(
)
()
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢

⎢
⎣
⎡
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−+
−=+≤<
=≤≤+
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
−=+<≤

h
h
vh
vn
n
vn
t
ttt
XtxttttKhi
XtxttttKhi
t
tt
XtxttttKhi
2
max22
max21
1
max11
cos1
2
1
)( :
)( :
cos1
2
1
)( :
π
π
(2.37)

2.3 KẾT LUẬN.
Mô hình động lực học tổng quát của hệ thống phun trực tiếp nhiên liệu khí
CNG điều khiển điện từ được thiết lập, và lượng phun chu trình được xác định.
a) Hệ phương trình vi phân tổng quát
.
b) Lượng phun chu trình
.

Hình 2.12: Đặc tính dịch chuyển của rơ-le điện từ

10

Bằng cách biến đổi các phương trình vi phân mô tả động lực học nhiên liệu
khí CNG trong hệ thống phun được khống chế bởi các phương trình vi phân đặc
trưng cho các điều kiện biên của hệ thống phun trực tiếp điều khiển bởi rơ-le điện
từ, hệ phương trình vi phân tổng quát gồm 3 giai đoạn đã được thiết lập. Từ đó

lượng phun nhiên liệu khí thiên nhiên trong m
ột chu trình làm việc của động cơ
cũng được xác định theo phương trình tích phân sau.
()
()
dt
dt
dv
l
p
p
k
a
Sm
Inj
t
k
k
xl
vinj 23
0
23
23
1
2
2
2
23
21
1

2
ρμ
∫
⎟
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎜
⎝
⎛
−
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜

⎝
⎛
−
−
=
−
(2.41)

Chương 3
NGHIÊN CỨU XÂY DỤNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN,
PHÂN TÍCH KẾT QUẢ CHO BỞI MÔ HÌNH
VÀ PHÁT TRIỂN
MÔ HÌNH PHUN TRỰC TIẾP HAI GIAI ĐOẠN
3.1 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN CHO MÔ HÌNH.
3.1.1 Phương pháp tính và ngôn ngữ lập trình.
Phương pháp tính được luận án lựa chọn làm công cụ mô phỏng hóa bằng số
là phương pháp giải hệ phương trình vi phân Runge_Kutta bậc 4. Ngoài ra để hổ
trợ cho việc xử lý và phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng phun, phương
pháp xấp xỉ bình phương cực tiểu cũng được áp dụng.
Về phần mềm tính toán, ngôn ngữ lập trình trực quan Microsoft Visual
Basic 6.0 đượ
c luận án lựa chọn làm công cụ lập trình tính toán cho mô hình. Bằng
cách lập trình trực tiếp cho phép ta tổ chức quản lý chương trình một cách linh
hoạt, chia sẽ nguồn dữ liệu dùng chung một cách thuận lợi thông qua giao diện đa
cửa sổ Multiple Documents Interface (MDI) của Microsoft Visual Basic 6.0.
3.1.2 Xây dựng chương trình tính toán cho mô hình.
Chương trình tính toán nhằm giải các hệ phương trình vi-tích phân của mô
hình được xây dựng trên cơ sở ngôn ngữ lập trình đã lựa chọn là Microsoft Visual
Basic. Trên hình H3.1 là một màn hình giao diệ
n chung kiểu đa cửa sổ MDI của

chương trình tính; gồm có thanh trình đơn (MenuBar) để quản lý và thực hiện các
nhóm chức năng. Màn hình còn có các thanh công cụ (ToolBars) để chuyển đổi
hoặc thực hiện nhanh các chức năng của thanh trình đơn.
11


Hình 3.1: Màn hình giao diện chung.

3.2 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ CHO BỞI MÔ HÌNH PHUN.
3.2.1 So sánh kiểm chứng kết quả mô hình với thực nghiệm.
Trước hết, để kiểm chứng tính đúng đắn và độ tin cậy của mô hình cũng như
phương pháp tính, mô hình được tính toán kiểm chứng bởi mô hình của một hệ
thống phun thực nghiệm của nhóm nghiên cứu John T. Kubesh. Trên các hình
H3.5 là hình ảnh và một số kết quả thực nghiệm về hệ thống phun tr
ực tiếp nhiên
liệu thuần khí thiên nhiên trong động cơ “John Deere 8.1L CNG Engine”.

Hình 3.5 : Ảnh chụp vị trí gắn vòi phun CNG (bên trái) và mặt bên trong của nắp
máy - buồng cháy (bên phải) [78].
12


Hình 3.5b : So sánh hiệu suất cháy (bên trái) và mức độ phát thải NO
x
(bên phải)
của động cơ thử nghiệm (kiểu OC Engine và kiểu FIPC Engine).
Kết quả tính toán cho thấy: với vòi phun đơn có đường kính D
f
= 7,25[mm],
áp suất phun p

f
= 5,2[Mpa] thì lượng phun chu trình tính là m
inj
= 17,199[mg/inj]
so với lượng phun chu trình thử nghiệm m
cyc
= 17,094[mg/cyc]; sai số vấp phải
không quá 0,614% < 1% (ở cùng chế độ tính toán và thử nghiệm với số vòng quay
của động cơ n
e
= 650[v/ph]), chứng tỏ mô hình mà luận án xây dựng cũng như
phương pháp tính là đúng đắn và tin cậy.
3.2.2 Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phun.
3.2.2.1 Ảnh hưởng của các thông số vận hành hệ thống phun .
m
inj
[mg/inj]
x
k
= 0.2129x
p
- 0.3995
m
inj
= 25.378x
p
2
- 73.636x
p
+ 48.695

0
5
10
15
20
25
2.05 2.10 2.15 2.20 2.25 2.30 2.35 2.40 2.45 2.50
Tỷ số áp suất x
p
= p
f
/p
xlo
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
x
k
[mm]

Hình 3.9: Diễn biến lượng phun chu trình m
inj
, độ nâng kim phun x
k

theo tỷ số áp suất phun x
p

.
13

m
inj
[mg/inj]
m
inj
= 45.323t
f
+ 17.2
t
inj
= 0.9969t
f
+ 0.4
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45
Thời gian duy trì phun t
f
[ms]
0.00

0.25
0.50
0.75
1.00
1.25
1.50
1.75
2.00
t
inj

[ms]

Hình 3.10: Sự thay đổi lượng phun chu trình m
inj
,thời gian phun hiệu quả t
inj
theo
thời gian duy trì phun t
f
.
Kết quả phân tích các yếu tố vận hành cúng như các thông số kết cấu của hệ
thống phun ảnh hưởng đến chất lượng phun cho thấy : Lượng phun chu trình phụ
thuộc bậc hai theo áp suất phun p
f
(hay tỷ số áp suất – hình H3.9). Nó cũng phụ
thuộc bậc hai vào đường kính lỗ vòi phun D
f
(hay tỷ số đường kính giữa piston
điều khiển và lỗ vòi phun – hình H3.11) ; trong khi đó lượng phun chu trình chỉ

phụ thuộc bậc nhất theo thời gian phun t
f
(hình H3.10).
3.2.2.2 Ảnh hưởng của các thông số kết cấu hệ thống phun.
x
k
= 0.2991x
D
2
- 0.4999x
D
- 0.1693
m
inj
= 97.871x
D
2
- 282.01x
D
+ 176.7
0
5
10
15
20
25
30
35
40
1.90 1.95 2.00 2.05 2.10 2.15 2.20 2.25 2.30

Tỷ số đường kính kim phun x
D
= D
p
/D
f
(D
f
= Const)
m
inj
[mg/inj]
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
x
k
[mm]

Hình 3.11: Biến đổi lượng phun chu trình, độ nâng kim phun theo tỷ số đường kính
piston kim phun trên đường kính lỗ vòi phun.
Kết quả phân tích còn chỉ ra rằng : thời kỳ trùng điệp các van nạp/xả thuộc
nhánh điều khiển có ảnh hưởng không có lợi đến chất lượng phun; và làm tăng tổn
thất lưu lượng của dòng điều khiển qua van xả. Điều này làm kéo dài các giai đoạn

quá độ trong các thời kỳ đóng/m
ở kim phun, kết thúc phun không dứt khoát; điều
này sẽ được khắc phục ở mục 3.3.
14

3.2.2.3 Ảnh hưởng của tốc độ động cơ.
Kết quả phân tích từ mô hình cho thấy, ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến
lượng phun chu trình thì nghịch biến (hình 3.17); điều này là có lợi vì nó bảo đảm
cho sự làm việc ổn định của động cơ khi phụ tải bên ngoài thay đổi.
m
inj
[mg/inj]
m
inj
= -0.7417k
n
2
- 3.7986k
n
+ 18.365
10.0000
11.0000
12.0000
13.0000
14.0000
15.0000
16.0000
17.0000
18.0000
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20

Tỷ số tốc độ động cơ k
n
= n
e
/n
N
[V/ph]

Hình 3.17: Diễn biến lượng phun chu trình theo tỷ số tốc độ động cơ
3.3 PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH PHUN TRỰC TIẾP HAI GIAI ĐOẠN CHO
ĐỘNG CƠ CÓ TỶ SỐ NÉN CAO VỚI KIỂU VAN ĐIỆN TỪ KÉP.
3.3.1 Đặc trưng vòi phun trực tiếp CNG kiểu rơ-le điện từ kép.
Kết quả phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng phun đã chỉ ra giải
pháp hợp lý nhằm tối ưu hóa h
ệ thống phun trực tiếp CNG hai giai đoạn cho động
cơ có tỷ số nén cao để tránh hiện tượng cháy kích nổ. Hệ thống được điều khiển
bởi rơ-le điện từ kép, có đặc tính như hình H3.18b; không chỉ cho phép kiểm soát
linh hoạt quá trình phun hai giai đoạn mà còn cho phép loại bỏ thời kỳ trùng điệp
của hai van cấp/xả trong giai đoạn quá độ đóng kim phun, kết thúc phun dứt khoát.
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50

0.0000 0.0005 0.0010 0.0015 0.0020 0.0025 0.0030 0.0035
t [s]
X [m m ]
x
2
x
1

Hình 3.18b: Đặc tính rơ-le điện từ kép (x
1
: van xả, x
2
: van cấp).
15

3.3.2 Đặc trưng động cơ có tỷ số nén cao dùng cho mô phỏng. Động cơ diesel
được chọn để tính mô phỏng cho mô hình phát triển phun trực tiếp hai giai đoạn là
động cơ KamAZ 740 có tỷ số nén ε = 17 :1.
3.3.3 Phun trực tiếp hai giai đoạn nhiên liệu khí CNG cho động cơ có tỷ số nén
cao kiểu rơ-le điện từ kép.
Kết quả nghiên cứu của nhiều công trình về giới hạn kích nổ cho thấy trong
đi
ều kiện thường, động cơ có tỷ số nén cao ε ≥18 thì hỗn hợp hòa trộn trước của
nhiên liệu khí thiên nhiên không vượt quá giới hạn 0,6. Với động cơ chọn mô
phỏng là KamAZ 740 có tỷ số nén ε = 17:1 thì lượng nhiên liệu cần phun trước là
0,6 được thực hiện vào đầu kỳ nén, sau khi các xupap nạp thải đã đóng. Lượng
nhiên liệu được phun nhanh vào cuối kỳ nén (40%) có thời gian phun nhỏ hơn thời
gian cháy trễ t
ối thiểu để hiện tượng kích nổ bị khống chế, không kịp xẫy ra.
3.3.3.1 Tính toán quá trình phun muộn tạo hỗn hợp đậm phân lớp.

Kết quả tính toán cho thấy, mặc dầu với áp suất phun không cao (p
f
= 7,65
[MPa]) và với vòi phun đơn (một lỗ D
f
= 5,4[mm]) nhưng lượng phun chu trình
vẫn bảo đảm nhờ phun hai giai đoạn: phun sớm tạo hỗn hợp đồng nhất loãng và
phun muộn nhanh tạo hòa khí đậm phân lớp (hình H3.26). Và hiện tượng cháy kích
nổ hoàn toàn được khống chế vì thời gian phun trong chu trình phun muộn (40%
lượng cấp chu trình) chưa quá 1[ms] so với thời gian cháy trễ tối thiểu 2[ms] ở các
số vòng quay của động cơ từ 600[v/ph] đến 2600[v/ph].
3.3.3.2 Tính toán quá trình phun sớm tạo hỗn hợp đồ
ng nhất loãng.
Quá trình phun sớm với 60% lượng cấp chu trình cũng kết thức sớm, trong
giai đoạn đầu của quá trình nén nên đủ thời gian để khuếch tán và hòa trộn đồng
nhất, tạo hỗn hợp tốt cho quá trình cháy kiệt đối với hỗn hợp loãng.
3.4 KẾT LUẬN. Tổng hợp diễn biến quá trình phun trực tiếp nhiên liệu CNG hai
giai đoạn (phun sớm và phun muộn) cho bởi mô hình có thể được biểu di
ễn qua sơ
đồ minh họa trên hình 3.26
.
Nhờ phun sớm với hỗn hợp đồng nhất loãng (60%), chuẩn bị tốt hỗn hợp
cho quá trình cháy nhưng hiện tượng kích nổ không thể xẫy ra; trong khi lượng
phun muộn (40%) được phun tập trung và diễn ra trong thời gian rất ngắn (nhỏ hơn
1[ms]) với hỗn hợp có nhiệt độ không quá 800
o
K nên hiện tượng kích nổ được
khống chế hoàn toàn; bảo đảm cung cấp đủ lượng phun chu trình cho động cơ
diesel KamAZ 740 có tỷ số nén ε = 17 :1
16

Chương 4 : NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TIA PHUN.



Chương 4 :
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TIA PHUN
Để thực hiện phun trực tiếp hai giai đoạn tránh kích nổ cho động cơ có tỷ số
nén cao như diesel, thì giai đoạn phun muộn phải diễn ra thật nhanh để tập trung
nhiên liệu theo hỗn hợp đậm phân lớp mạnh. Để thấy rõ hơn điều này, mô hình tia
phun nhiên liệu khí thiên nhiên (CNG) trong buồng cháy động cơ cũng được luận
án nghiên cứu và mô phỏng bằng biểu đồ màu (Chương 5). Tuy vậy, cấu trúc tia
phun trong buồng cháy động cơ là vô cùng phức tập, để mô phỏng nó, trước hết
nhất thiết phải nghiên cứu thực nghiệm, qua đó có thể xây dựng được các công
thức bán thực nghiệm mô tả đặc trưng hình học tia phun cũng như sự phát triển tia
phun trong buồng cháy động cơ.
4.1 SỰ PHÁT TRIỂN TIA PHUN TRONG BUỒNG CHÁY ĐỘNG CƠ.
4.1.1 Động cơ trong suốt (transparence) dùng cho thí nghiệm tia phun.
Theo định nghĩa, dòng chất lỏng khi ra khỏi vòi phun và ch
ảy vào môi
trường chất lỏng khác hoặc của chính nó được gọi là dòng tia. Khi dòng tia chuyển
động, do tính chất nhớt và sự mạch động vận tốc của dòng chảy rối mà xuất hiện
các xoáy ở chỗ tiếp giáp của dòng tia và môi trường xung quanh. Các xoáy này

làm cho một phần chất lỏng của môi trường bị lôi kéo theo dòng tia, đồng thời lại
gây tác dụng kìm hãm chuyển động của dòng tia. Vì vậy mà dòng tia bị loe rộng
dần rồi phân tán vào môi trường chất l
ỏng bao quanh. Để khảo sát sự phát triển tia
phun nhiên liệu khí trong buồng cháy, luận án sử dụng phương pháp quay phim tốc
độ cao với máy quay hiệu
FASTAX để quay tia phun nhiên liệu khí LPG trong động
f
m
[%]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360

ϕ
[độ góc quay trục khuỷu]
ϕ
inj_s
ϕ
inj_m

Hình 3.26: Sơ đồ minh họa phun trực tiếp nhiên liệu CNG hai giai đoạn.
17

cơ có cửa sổ trong suốt (transparence) tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Trung
tâm Lyon (École Central de Lyon) - Cộng Hòa Pháp (hình 4.2).









4.1.2 Đo sự phát triển tia phun bằng hệ thống quay phim tốc độ cao.
Tốc độ cực đại của máy quay
FASTAX có thể đạt 6000 ảnh/ giây, nên có thể
ghi được [01 ảnh/ 01 độ góc quay trục khuỷu] khi tốc độ động cơ 1000 [v/ph].
Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng qui luật phát triển tia phun nhiên liệu khí
trong buồng cháy động cơ tuân theo qui luật hàm mũ đối với thời gian phun.
m
t
taS .= (4.1)
trong đó t là thời gian; a là hằng số tỉ lệ, còn m là số mũ. Với áp suất phun nhiên
liệu khí LPG là 100[atm], t tính bằng [ms] và chiều dài đỉnh tia phun S
t
tính bằng
[mm]; thì a ≈ 49,854 và m ≈ 0,501.
4.2 ĐO TRƯỜNG PHÂN BỐ TỐC ĐỘ TIA PHUN BẰNG PHƯƠNG PHÁP
LASER DOPPLER ANEMOMETRY (LDA).

Diễn biến sự phát triển tia phun và do đó trường phân bố tốc độ của tia phun
là hết sức phức tạp. Người ta thường dùng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
để xác định trường phân bố tốc độ trong tia phun. Trong các phương pháp thực
nghiệm đó thì phương pháp Laser Doppler Anemometry (LDA) được ứng dụng
phổ biến hơ
n cả. Phương pháp LDA dựa trên hiệu ứng Doppler của tia laser khi bị
một vật thể chuyển động ngang qua làm gia tăng tần số phản xạ của chùm ánh sáng
quan sát được và gọi là tần số Doppler – kí hiệu f
D
.

xsD
uff
λ
θ
)2/sin(2
+=
(4.2)
§éng c¬
thÝ
nghiÖm
§éng c¬
®iÖn
Accu thñy
lùc
N
2
LPG
X¨ng
Hép ®iÒu khiÓn

vßi phun
Bé khuÕch ®¹i
Hép ®iÒu khiÓn
®¸nh löa


Hình 4.2: Sơ đồ bố trí thí nghiệm trên động cơ Transparence.
18

trong đó f
s
là tần số gia cường “Bragg”, λ là bước sóng của tia laser, θ là góc hợp
bởi hai chùm tia laser, u
x
là tốc độ của vật thể chiếu theo phương vuông góc với
phân giác của góc hợp bởi hai tia laser.
4.2.1 Mô hình thí nghiệm đo tốc độ tia phun bằng LDA. Để đo trường phân bố
tốc độ tia phun khí, luận án sử dụng phương pháp LDA với thiết bị laser hiệu
”LDA Dantec Dynamics A/S” của Đan mạch; với bộ chuyển đổi tín hiệu quang
“60x41 FiberFlow Transmitter”, đầu dò “1D-Probe 60[mm]” cùng bộ xử lý
“Multiprocessor BSA F60”. Sơ đồ bố trí thí nghiệm đo tia phun khí CO
2
bằng hệ
thống LDA Dantec Dynamics A/S được mô tả ở hình H4.10

4.2.2 Phân bố trường tốc độ trong tia phun khí.
Kết quả đo trường phân bố tốc độ tia phun
khí CO
2
với đường kính lỗ vòi phun:

d = 0,003[m], vận tốc phun tại miệng vòi phun U
max
= 30[m/s], góc nghiêng tia
phun: α = 60
o
; được thể hiện trên hình H4.14. Bằng cách xử lý số liệu theo phương
pháp xấp xỉ bình phương cực tiểu, ta có quan hệ 1D về tốc độ trung bình của tia
phun ở dạng không thứ nguyên như.
()
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎨
⎧
−=
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
=
2
max
.exp
)(
1
η

η
b
U
u
axU
U
m
m
(4.3)
trong đó x là tọa độ theo chiều trục tia phun tính từ cực tia, U
m
tốc độ tại điểm có
Đầu dò
Chùm tia
Laser
Hình 4.10: Sơ đồ bố trí thí nghiệm LDA.
Ti
a

p
h
u
n
θ

B
ộ
t
ạ
o h

ạ
t & tia
p
hun
Giá điều chỉnh đầu
CO
Máy tạo
Tia
L
19

tọa độ x trên trục tia phun, U
max
tốc độ cực đại xác định tại miệng vòi phun, a và b
là các hằng số xấp xỉ.
Bằng cách xử lý số liệu theo phương pháp bình phương cực tiểu, ta được các
hằng số xấp xỉ : a ≈ 32,68 và b ≈ 9.
4.3 KẾT LUẬN. Kiểm chứng với các kết quả nghiên cứu về tia phun khí của các
công trình đã công bố cho thấy, trường phân bố tốc độ tia phun và do đó trường
phân bố nồ
ng độ trong tia phun là theo qui luật hyperbole đối với trục tia phun x;
còn theo phương hướng kính, là theo qui luật phân bố chuẩn Gauss. Với kết quả
nhận được từ thực nghiệm cho thấy, phương pháp nghiên cứu cũng như kết quả
nhận được từ thực nghiệm và xử lý thực
nghiệm là đúng đắn và tin cậy; có thể làm
cơ sở cho việc thiết lập mô hình tia phun nhiên liệu khí trong buồng cháy động cơ.
Chương 5
NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG TIA PHUN NHIÊN LIỆU KHÍ CNG
TRONG BUỒNG CHÁY ĐỘNG CƠ.
Việc nghiên cứu thực nghiệm tia phun ở chương 4 là cơ sở cho việc nghiên

cứu xây dựng mô hình mô phỏng tia phun trong buồng cháy động cơ.
5.1 MÔ HÌNH TÍNH TOÁN TIA PHUN RỐI KHUẾCH TÁN NHIÊN LIỆU
KHÍ TRONG BUỒNG CHÁY ĐỘNG CƠ.
5.1.1 Mô hình tích phân tính toán tia phun rối khuếch tán trong không gian
yên tĩnh.
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0.00 0.20 0.40 0.60
x [m]
U
CO2
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
-0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3
y [m]
U [m/s]
x = 150 [mm]
x = 300 [mm]

x = 550 [mm]


Hình 4.14: Diễn biến tốc độ tia phun theo phương hướng kính (bên trái)
và theo trục tia phun (bên phải – dạng không thứ nguyên).
20

Mô hình được xây dựng trong không gian phẳng trên cơ sở đại lượng bảo
toàn nên phản ánh tốt đặc trưng tia phun. Tuy vậy mô hình có khối lượng tính toán
quá lớn; và chưa phản ánh sát thực tế tia phun khí trong buồng cháy động cơ.
5.1.2 Mô hình khuếch tán Gauss tính toán nồng độ tia phun rối tự do.
Sự phân bố nồng độ của chất khí trong tia phun rối tự do có thể được xác
định từ phương trình khuếch tán cổ điển cho bởi mô hình Gauss xác định bằ
ng.
C(x,y,z) =
()
()
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜

⎜
⎝
⎛
++−
zyx
zyx
f
k
z
k
y
k
x
Exp
kkk
m
222
2/12/3
4
1
8
τ
πτ
(5.20)
Các hệ số khuếch tán rối k
x
, k
y
, k
z

theo các phương x, y, z sẽ được khống
chế bởi các đặc trưng hình học của tia phun nhiên liệu khí trong buồng cháy động
cơ được cho bởi các mô hình bán thực nghiệm của Hiroyasu (hoặc mô hình Dent).
5.1.2.1 Mô hình khuếch tán nồng độ trong tia phun hình khối - đối xứng.
Sự phân bố nồng độ (không thứ nguyên) của tia phun đối xứng xác định theo
mô hình Gauss và được khống chế bởi độ xuyên thâu S
t
và bề rộng tia b cho bởi
mô hình thực nghiệm của Hiroyasu như sau.
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢

⎣
⎡
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
+
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
⎟
⎠
⎞

⎜
⎝
⎛
=
=
2
2
2
2
2
max
3
2
3
1
2
2
1),,(
b
y
Exp
S
x
Expx
D
C
tg
C
yzyxC
tf

t
(5.36)
trong đó S
t
, C
t
và b là độ xuyên thâu, độ côn góc mở tia phun và bề rộng tia phun
trong buồng cháy động cơ được cho bởi mô hình thực nghiệm của Hiroyasu.
5.1.2.2 Mô hình khuếch tán nồng độ trong tia phun phẳng - đối xứng.
Hàm phân bố nồng độ (không thứ nguyên) của tia phun phẳng - đối xứng có
thể được xác định đơn giản theo mô hình Gauss trong bài toán phẳng quen thuộc.
C(x,y,z) = C
o
(x).f(η) (5.39)
trong đó C
o
(x) là hàm số biểu thị phân bố nồng độ nhiên liệu trên trục tia phun x
với phương z =0; còn hàm f(η) có dạng không thứ nguyên xác định nồng độ theo
phương ngang vuông góc với trục tia phun như sau.
f(η) =
(
)
2
exp
η
a− (5.41)
5.1.3 So sánh kết quả mô hình khuếch tán Gauss và mô hình tích phân.
So sánh nồng độ theo trục tia phun giữa mô hình tích hợp Gauss-Hiroyasu
kiểu phẳng đối xứng với mô hình tích phân tia phun rối phẳng là vào khoảng 8%.
21

Với sai lệch này có thể chấp nhận mô hình tích hợp Gauss-Hiroyasu để mô phỏng
cho tia phun nhiên liệu khí trong buồng cháy động cơ được đơn giản hơn.
5.2 MÔ PHỎNG SỰ PHÂN BỐ NỒNG ĐỘ TIA PHUN NHIÊN LIỆU KHÍ
TRONG BUỒNG CHÁY ĐỘNG CƠ BẰNG BIỂU ĐỒ MẦU.
5.2.1 Biểu đồ màu mô phỏng sự phân bố nồng độ tia phun khối đối xứng.
Với các kết quả nhận được từ chương 2 và 3, cùng với mô hình tia phun tích
hợp Gauss-Hiroyasu nêu trên, cho phép ta có thể mô phỏng một cách thuận lợi
nồng độ phân bố nhiên liệu khí CNG trong tia phun rối đối xứng bên trong buồng
cháy động cơ KamAZ-CNG bằng biểu đồ màu 2D (hình H5.10).
5.2.2 Đồ thị phân bố nồng độ trên trục tia kết hợp với biểu đồ màu.
Nhờ sự trợ giúp của công cụ lập trình trực quan Ms. Visual Basic 6.0, diễn
biến nồng độ dọc trục tia cũng như theo phương hướng kính ở các tọa độ x cũng
được thể hiện kết hợp trên biểu đồ màu một cách trực quan (hình H5.10).
5.3 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ KẾT CẤU VÀ VẬN HÀNH ĐẾN
TIA PHUN NHIÊN LIỆU KHÍ TRONG BUỒNG CHÁY ĐỘNG CƠ.
5.3.1 Phân tích sự phát triển tia phun theo thời gian bằng biểu đồ màu.
Với Ms. Visual Basic, việc mô phỏng tia phun được thực hiện liên kết với
quá trình tính toán hệ thống phun trực tiếp, nên việc khảo sát sự phát triển tia phun
trở nên thuận lợi (hình H5.12).

Hình 5.10: Diễn biến nồng độ tia phun CNG theo phương hướng kính với x tăng
dần (tia phun KamAZ-CNG, t
f
=0).
5.3.2 Ảnh hưởng của tốc độ dòng khí trong xy lanh đến tia phun.
Thực tế dòng không khí trong xy lanh động cơ là vận động phức tạp theo xu
22

hướng xoáy lốc, nên ảnh hưởng đáng kể đến các đặc trưng của tia phun; đặc biệt là

làm tăng tính chất rối của tia phun. Với mô hình Gauss-Hiroyasu cũng có thể mô
phỏng ảnh hưởng của tốc độ vận động trung bình theo các phương của dòng không
khí trong xy lanh hết sức thuận lợi.

Hình 5.12: Sự phát triển tia phun tương thích với thực nghiệm về độ xuyên thâu
đỉnh tia phun (tia phun KamAZ-CNG, t
f
=0)
5.3.3 Ảnh hưởng của vách thành buồng cháy đến tia phun.
Ảnh hưởng của vách thành buồng cháy đến tia phun cũng có thể khảo sát
một cách dễ dàng theo mô hình Gauss-Hiroyasu và dựa vào lý thuyết phản xạ. Một
kết quả mô phỏng tia phun có sự phản xạ từ vách thành đặt vuông với tia phun
được biểu thị như trên hình H5.18.

Hình 5.18: Biểu đồ màu xác định nồng độ tia phun rối có phản xạ
(tia phun KamAZ-CNG, t
f
=0).
23

5.4 KẾT LUẬN.
Kết quả tính toán mô phỏng tia phun cho bởi mô hình khuếch tán kết hợp
Gauss-Hiroyasu hoàn toàn tương thích và phù hợp với lý thuyết cũng như thực
nghiệm mà nhiều công trình đã công bố như: mô hình của Bùi Văn Ga và cộng sự,
mô hình tia phun của Hill and Ouellette, mô hình tia phun của White T. R. v.v
Kết quả mô phỏng cho thấy nồng độ tia phun nhiên liệu khí thiên nhiên
trong buồng cháy động cơ là phân bố tập trung mạnh quanh miệng vòi phun; xa
miệng vòi phun nồng độ nhiên liệu khí thiên nhiên rất loãng khi kết thúc phun.

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI

1. KẾT LUẬN CHUNG
Từ những nội dung đã nghiên cứu và các kết quả đạt được qua các chương,
cho phép luận án rút ra một số kết luận như sau.
1) Khác với hệ thống phun trực tiếp nhiên liệu lỏng, hệ thống phun trực tiếp
hai giai đoạn nhiên liệu khí chỉ cần một lỗ đơn (D
f
= 5,4[mm]) và áp suất phun
không cao (p
f
=7,65[Mpa]) nhưng cũng có thể cung cấp đủ nhiên liệu khí thiên
nhiên cho chu trình làm việc của động cơ có tỷ số nén cao như diesel mà không bị
hiện tượng kích nổ. Với động cơ mô phỏng KamAZ 740 thì lượng phun trong giai
đoạn phun sớm là 60% và kết thức phun trước điểm chết trên 103[độ]; còn giai
đoạn phun muộn 40% có thời gian phun không quá 1[ms] và phun trong hỗn hợp
công tác có nhiệt độ gần cuối quá trình nén là 795[
0
K].
2) Tương tự như hệ thống phun trực tiếp nhiên liệu lỏng cho động cơ đánh
lửa cưỡng bức, qui luật biến thiên của lượng phun nhiên liệu chu trình là phụ thuộc
tuyến tính theo thời gian duy trì phun. Điều này cho phép kiểm soát thuận lợi
lượng phun theo các thông số điều chỉnh trong vận hành: m
inj
= c
m
.t
f
+ m
inj_0
.

3) Lượng phun chu trình của hệ thống phun trực tiếp nhiên liệu khí là nghịch
biến theo tốc độ động cơ khi thời gian duy trì phun của rơ-le điện từ không đổi.
Điều này bảo đảm cho đặc tính làm việc ổn định của động cơ phun trực tiếp nhiên
liệu khí thiên nhiên, giúp cho động cơ thích ứng tốt với phụ tải bên ngoài.
4) Khác với tia phun nhiên liệu lỏng, đối với tia phun nhiên liệu khí chỉ có
thuần thể khí, nên các qui luật phân bố nồng độ tia phun trong buồng cháy động cơ
có thể được biểu diễn bởi mô hình khuếch tán rối Gauss kết hợp với mô hình
24

khống chế tia phun nhiên liệu khí trong buồng cháy động cơ của Hiroyasu để tạo
nên mô hình tia phun tích hợp «Gauss-Hiroyasu».
5) Tương tự tia phun nhiên liệu lỏng, tia phun nhiên liệu khí cũng có sự
phân lớp mạnh khi phun nhanh trong chu trình phun muộn; điều đó không chỉ tạo
thuận lợi cho giải pháp tổ chức quá trình cháy phân lớp nhằm tiết kiệm nhiên liệu
mà còn có ý nghĩa vô cùng lớn đối với động cơ có tỷ số nén cao như diesel sử dụng
thuần CNG mà không b
ị kích nổ, cho phép tránh phụ thuộc vào nhiên liệu truyền
thống từ dầu mỏ đang cạn kiệt và ô nhiễm môi trường.

2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
Các nội dung nghiên cứu và các kết quả đạt được của luận án là hết sức quan
trọng, góp phần nhỏ vào việc sử dụng hiệu quả hơn nhiên liệu khí thiên nhiên
(CNG) trong động cơ có tỷ số nén cao tương tự diesel mà không phụ thuộc vào
nguồn nhiên liệu dầu mỏ diesel vốn gây ô nhiễm và đang cạn kiệt.
Tuy vậy, những đóng góp của luận án này chỉ là bước đầu mang tính lý
thuyết mô phỏng và đị
nh hướng cho những bước tiếp theo để có thể đi đến hoàn
thiện một hệ thống mang tính khả thi trong thực tiễn sản xuất.
Theo đó, các hướng phát triển tiếp theo của đề tài có thể là :
1) Nghiên cứu thực nghiệm trên băng thử hệ thống phun trực tiếp hai giai

đoạn nhiên liệu thuần khí thiên nhiên (CNG) điều khiển điện tử cho động cơ có tỷ
số nén cao tương t
ự động cơ diesel.
2) Nghiên cứu phát triển hoàn thiện hệ thống phun trực tiếp hai giai đoạn
nhiên liệu thuần khí thiên nhiên (CNG) điều khiển điện tử cho động cơ có tỷ số
nén cao theo hướng giảm thiểu các chất thải có hại cho môi trường như NO
x
, CO,
NMHC, CO
2
.
3) Nghiên cứu triển khai để thiết kế và chế tạo hoàn thiện một hệ thống phun
trực tiếp hai giai đoạn nhiên liệu thuần khí thiên nhiên (CNG) điều khiển điện tử
cho một động cơ diesel chuyển đổi thông dụng.