nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ cng
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (557.35 KB, 15 trang )
<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">
<b>LỜI CAM ĐOAN </b>
Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi. Các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định. Kết quả nghiên cứu trong luận án do tơi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan.
Tôi xin cam đoan các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực phù hợp với thực tiễn của Việt Nam và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác.
</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2"><b>LỜI CẢM ƠN </b>
Lời đầu tiên cho phép tôi gửi lời cảm ơn chân thành đến Đại học Bách khoa Hà Nội, Trường Cơ khí, Phịng đào tạo, Khoa Cơ khí động lực, Nhóm chun mơn Hệ thống động lực ơ tơ, đã giúp đỡ và hỗ trợ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Trần Đăng Quốc và PGS.TS Cao Hùng Phi, hai người thầy đã hướng dẫn tơi rất tận tình, chu đáo về chun mơn trong q trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án.
Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long đã tạo điều kiện, động viên tôi trong thời gian học tập và nghiên cứu.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến q thầy, cơ, cán bộ Khoa Cơ khí động lực, trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Vĩnh Long đã hỗ trợ, động viên tơi trong q trình học tập, nghiên cứu.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến quý thầy cô phản biện, thầy cô trong Hội đồng đánh giá luận án đã đồng ý đọc duyệt và đóng góp các ý kiến quý báu để tơi có thể hồn chỉnh luận án cũng như đưa ra những định hướng nghiên cứu trong tương lai. Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè và đồng nghiệp, những người đã luôn động viên khuyến khích tơi trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án.
<b>Nghiên cứu sinh </b>
<b>Hồ Hữu Chấn </b>
<b> </b>
</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">ii. Mục tiêu của luận án ...2
iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...2
iv. Phương pháp nghiên cứu...2
v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ...2
vi. Các điểm mới của luận án ...3
vii. Bố cục của luận án ...3
<b>CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN ... 4</b>
1.1.Tổng quan về nhiên liệu thay thế ...4
Nhiên liệu sinh học (Biofuel) ...5
Nhiên liệu hydrogen ...8
1.2.Tổng quan về nhiên liệu khí thiên nhiên ... 10
Đặc tính nhiên liệu khí thiên nhiên ... 10
Nhiên liệu khí thiên nhiên nén (CNG) ... 13
Nhiên liệu khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG) ... 14
1.3.Các nghiên cứu về động cơ đốt trong sử dụng khí thiên nhiên nén... 15
Hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG ... 16
Động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu ... 19
Động cơ CNG chuyển đổi từ động cơ xăng ... 21
Động cơ CNG chuyển đổi từ động cơ diesel ... 22
1.4.Tổng quan các nghiên cứu về động cơ sử dụng khí thiên nhiên ... 23
Các nghiên cứu ngoài nước ... 23
Các nghiên cứu trong nước ... 24
</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">Các giả thuyết ... 31
Mơ hình cháy khơng chiều... 32
Khối lượng hỗn hợp đã cháy ... 33
Mơ hình cháy một vùng: Tốc độ giải phóng nhiệt ... 33
2.3.Khái qt về mơ phỏng ... 33
Phần mềm AVL Boost ... 34
Phần mềm Ansys Fluent ... 34
2.4.Nghiên cứu chuyển đổi động cơ ... 37
Lựa chọn động cơ ... 37
Nội dung kế thừa từ nghiên cứu của Trần Thanh Tâm ... 38
Nội dung phát triển trong chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu CNG ... 39
2.5.Xây dựng đặc tính làm việc của động cơ sau chuyển đổi ... 45
3.2.Xây dựng mơ hình động cơ nghiên cứu ... 56
Nghiên cứu động cơ mô phỏng bằng phần mềm AVL Boost ... 56
Xây dựng mơ hình bằng Ansys Fluent ... 60
3.3.Hiệu chuẩn và điều khiển mơ hình ... 67
Hiệu chuẩn mơ hình trên AVL Boost ... 67
Điều khiển mơ hình trên Ansys Fluent ... 69
3.4.Ảnh hưởng của thông số phun ... 69
Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun ... 69
Ảnh hưởng của lambda ... 75
Ảnh hưởng của thời gian phun ... 76
Ảnh hưởng của đường kính ống nạp ... 80
Ảnh hưởng của vị trí đặt vịi phun ... 85
Ảnh hưởng của áp suất phun ... 87
3.5.Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến đặc tính làm việc... 89
</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">4.3.Ảnh hưởng của áp suất phun điều khiển bằng cơ khí đến chất lượng làm việc của
động cơ ... 96
Ảnh hưởng đến mô men và công suất ... 96
Ảnh hưởng đến phát thải của động cơ ... 97
4.4.Ảnh hưởng của áp suất phun điều khiển bằng điện đến chất lượng làm việc của động cơ ... 99
Ảnh hưởng của áp suất phun điều khiển bằng điện đến lượng nhiên liệu cung cấp... 99
Ảnh hưởng của áp suất phun đến công suất và mô men động cơ .. 101
Ảnh hưởng của áp suất phun đến khí thải ... 102
4.5.So sánh ảnh hưởng của giải pháp phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc của động cơ ... 104
4.6.So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng ... 107
4.7.Kết luận chương 4 ... 110
<b>KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ... 111</b>
<b>DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN... 113</b>
<b>TÀI LIỆU THAM KHẢO ... 114</b>
PHỤ LỤC ... 128
Phụ lục 1. Kết quả mô phỏng Ansys Fluent... 128
Phụ lục 2. Kết quả mô phỏng AVL Boost ... 129
Phụ lục 3. Kết quả thực nghiệm ... 136
Phụ lục 4. Quá trình chuyển đổi hệ thống làm mát động cơ thí nghiệm S1100: .... 138
Phụ lục 5. Hệ thống điều khiển đánh lửa và vòi phun ... 141
</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">26 𝑚<sub>𝑑𝑒𝑙𝑖𝑣𝑒𝑟𝑦</sub> Lượng nhiên liệu phun (g/s)
29 𝑉<sub>𝑑𝑖𝑠𝑝</sub> Thể tích cơng tác xylanh (m<small>3</small>) 30 (𝐴/𝐹) <sub>𝑒𝑛𝑔𝑖𝑛𝑒</sub> Tỷ lệ A/F của nhiên liệu
</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">33 𝑚<sub>𝐹,𝑒𝑓𝑓</sub> Tổng lưu lượng nhiên liệu phun (kg/s) 34 𝑚<sub>𝐹,𝑖𝑛𝑗</sub> Lưu lượng nhiên liệu phần tia phun (kg/s) 35 𝑚<sub>𝐹,𝑝𝑢𝑑𝑑𝑙𝑒</sub> Lưu lượng nhiên liệu bám đọng trên thành ống
(kg/s)
(g/s)
38 (𝐴/𝐹) <sub>𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙</sub> <sup>Tỷ số giữa khơng khí và nhiên liệu thực tế nạp vào </sup>xylanh
39 (𝐴/𝐹) <sub>𝑠𝑡𝑜𝑖𝑐ℎ𝑖𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑖𝑐</sub> <sup>Tỷ số giữa khơng khí và nhiên liệu tính theo lý </sup>thuyết
56 𝑀𝐹𝐵<sub>𝜃</sub> <sup>Phần khối lượng được đốt cháy tại góc quay trục </sup>khuỷu
57 Δ𝑝<sub>𝑐,𝑖</sub> <sup>Mức tăng áp suất được hiệu chỉnh do quá trình đốt </sup>cháy
</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">60 𝑉<sub>𝑑</sub> Dung tích xylanh (Lít)
61 𝜃<sub>𝑠</sub>, 𝜃<sub>𝑒</sub> Góc quay bắt đầu và kết thúc của q trình đốt cháy
71 𝐽⃗⃗⃗⃗⃗ <sub>𝑗,𝑘</sub> Thơng lượng khuếch tán của chất j trong pha k
buoyancy
chảy rối nén được đến hệ số phân tán rối 76 𝐶<sub>1</sub>, 𝐶<sub>2</sub>, 𝐶<sub>3</sub> Hằng số mơ hình
80 𝑤<sub>𝑥</sub>, 𝑤<sub>𝑦</sub>, 𝑤<sub>𝑧</sub> <sup>Vận tốc góc tức thời của dịng khí nạp với các trục </sup>x, y, z tương ứng (rad/s)
81 𝐿<sub>𝑥</sub>, 𝐿<sub>𝑦</sub>, 𝐿<sub>𝑧</sub> <sup>Mô men động lượng của dịng khí nạp ứng với các </sup>trục x, y, z (kg.m<small>2</small>/s)
82 𝐼<sub>𝑥</sub>, 𝐼<sub>𝑦</sub>, 𝐼<sub>𝑧</sub> <sup>Mô men quán tính tương ứng với các trục x y z </sup>(kg.m<small>2</small>)
86 𝐶𝑂𝑉<sub>𝑖𝑚𝑒𝑝</sub> Hệ số đánh giá sự thay đổi áp suất có ích trung bình
</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">89 𝑚<sub>𝑓_𝑜</sub> Lưu lượng nhiên liệu tính tốn tại vị trí cửa ra ống nạp (g/s)
</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10"><b>DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT </b>
</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">33 RON Research Octane Number
</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">Hình 1.5. Các loại bồn lưu trữ nhiên liệu CNG ... 14
Hình 1.6. Phân loại hệ thống đánh lửa và cấp nhiên liệu động cơ CNG [126] ... 16
Hình 1.7. Các hệ thống trên động cơ lưỡng nhiên liệu CNG-diesel [127] ... 17
Hình 1.8. Các hệ thống trên động cơ phun gián tiếp CNG [132] ... 18
Hình 1.9. Sơ đồ bộ hịa trộn CNG [133] ... 18
Hình 1.10. Ví dụ về các chi tiết của bộ hịa trộn CNG [134] ... 19
Hình 1.11. Bốn chu trình của động cơ lưỡng nhiên liệu CNG-diesel [151] ... 21
Hình 2.1. Phân chia quá trình cháy ở động cơ cháy cưỡng bức ... 30
Hình 2.2. Hình ảnh chuyển động của dịng khí theo các trục ... 36
Hình 2.3. Động cơ S1100 ... 38
Hình 2.4. Cảm biến CKP và cảm biến CMP... 39
Hình 2.5. Cảm biến lượng khí nạp và cảm biến vị trí bướm ga ... 40
Hình 2.6. Bộ điều khiển điện tử ... 40
Hình 2.7. Ống nạp và vịi phun điều khiển bằng điện ... 41
Hình 2.8. Bơ bin đánh lửa và bugi... 41
Hình 2.9. Bình chứa khí CNG và cụm van giảm áp ... 42
Hình 2.10. Thiết bị đo lưu lượng khí thiên nhiên ... 42
Hình 2.11. Hình dạng đỉnh piston sau chuyển đổi ... 43
Hình 2.12. Hệ thống lấy mẫu và phân tích khí thải ... 43
Hình 2.13. Hệ thống khởi động điện ... 44
Hình 2.14. Hệ thống làm mát bằng nước tuần hồn cưỡng bức ... 44
Hình 2.15. Bảng điều khiển của băng thử MP 100S ... 45
Hình 2.16. Đặc tính làm việc của băng thử MP 100S ... 46
Hình 2.17. Mặt trước của máy phân tích khí thải KEG 500CE ... 48
Hình 2.18. Mặt sau của máy phân tích khí thải KEG 500CE ... 49
Hình 2.19. Sơ đồ lắp đặt máy phân tích KEG 500 ... 50
Hình 2.20. Màn hình hiển thị chọn loại nhiên liệu sử dụng ... 51
Hình 2.21. Sơ đồ bố trí thiết bị phục vụ thí nghiệm ... 51
Hình 2.22. Động cơ và thiết bị thí nghiệm ... 52
Hình 2.23. Kết quả thí nghiệm ban đầu của động cơ sau khi chuyển đổi. ... 53
Hình 2.24. Kết quả thí nghiệm của NOx và HC ... 54
Hình 2.25. Kết quả thí nghiệm của CO và CO<small>2</small> ... 54
Hình 3.1. Động cơ một xylanh mơ phỏng bằng AVL Boost ... 56
Hình 3.2. Các thơng số nhập vào trong mơ hình cháy Fractal ... 57
Hình 3.3. Nhập thơng sổ điều khiển vịi phun nhiên liệu ... 58
Hình 3.4. Cửa sổ chọn kiểu phun nhiên liệu ... 58
</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">Hình 3.5. Thơng số mơ hình truyền nhiệt ... 59
Hình 3.6. Mơ hình ma sát ... 59
Hình 3.7. Mơ phỏng đường ống nạp bằng phần mềm Ansys Fluent ... 60
Hình 3.8. Giao diện Mơ-đun Fluid Flow (Fluent) ... 60
Hình 3.9. Giao diện xây dựng mơ hình Geometry ... 61
Hình 3.10. Mơ hình sau chia lưới ... 61
Hình 3.11 Bảng tùy chọn thiết lập chung ... 62
Hình 3.12. Kích hoạt phương trình năng lượng ... 62
Hình 3.13. Bảng tùy chọn mơ hình rối ... 63
Hình 3.14. Bảng tùy chọn loại mơ hình ... 63
Hình 3.15. Bảng chọn chế độ pha ... 64
Hình 3.16. Bảng tùy chọn nhiên liệu ... 64
Hình 3.17. Bảng nhiên liệu ... 65
Hình 3.18. Bảng tùy chọn thành phần khí ... 65
Hình 3.19. Khai báo đầu vào cho đường nạp ... 66
Hình 3.20. Khai báo áp suất phun nhiên liệu ... 66
Hình 3.21. Cài đặt số vịng lặp ... 67
Hình 3.22. Kết quả hiệu chuẩn mơ hình ... 67
Hình 3.23. Hiệu chuẩn mơ hình theo khí thải động cơ ... 68
Hình 3.24. Mơ phỏng đường ống nạp bằng phần mềm Ansys Fluent ... 69
Hình 3.25. Mơ hình sau chia lưới ... 69
Hình 3.26. Ảnh hưởng của thời điểm phun đến mô men động cơ theo độ mở bướm ga ... 70
Hình 3.27. Sự thay đổi của HC theo thời điểm bắt đầu phun theo độ mở bướm ga . 71Hình 3.28. Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun tới phát thải CO theo độ mở bướm ga ... 72
Hình 3.29. Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun tới phát thải NOx theo độ mở bướm ga... 72
Hình 3.30. Ảnh hưởng của thời điểm phun đến mô men động cơ tại các tốc độ động cơ khác nhau ... 73
Hình 3.31. Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun tới phát thải NOx tại các tốc độ động cơ khác nhau ... 74
Hình 3.32. Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun tới phát thải CO tại các tốc độ động cơ khác nhau ... 75
Hình 3.33. Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun đến thành phần phát thải HC theo tốc độ động cơ ... 75
Hình 3.34. Ảnh hưởng của hệ số dư lượng khơng khí đến mơ men ... 76
Hình 3.35. Ảnh hưởng thời gian phun đến mô men ... 76
Hình 3.36. Ảnh hưởng của thời gian phun đến lamda... 77
Hình 3.37. Ảnh hưởng của thời gian phun đến diễn biến áp suất trong xylanh ... 78
Hình 3.38. Ảnh hưởng của thời gian phun đến tổng thời gian cháy của hỗn hợp .... 78
Hình 3.39. Ảnh hưởng của thời gian phun đến tỉ lệ khối lượng cháy của hỗn hợp .. 79
Hình 3.40. Ảnh hưởng của thời gian phun đến tốc độ giải phóng nhiệt ... 79
Hình 3.41. Ảnh hưởng của lượng nhiên liệu nạp vào động cơ theo sự thay đổi của đường kính ống nạp khi thay đổi tốc độ động cơ ... 80
Hình 3.42. Ảnh hưởng của đường kính ống nạp tới mơ men theo tốc độ động cơ ... 81
</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">Hình 3.43. Ảnh hưởng của kích thước đường ống nạp tới mơ men động cơ ... 82
Hình 3.44. Ảnh hưởng của kích thước đường ống nạp tới công suất động cơ ... 82
Hình 3.45. Ảnh hưởng của đường kính ống nạp đến phát thải NOx ... 83
Hình 3.46. Ảnh hưởng của đường kính ống nạp đến phát thải CO ... 84
Hình 3.47. Ảnh hưởng của đường kính ống nạp đến phát thải HC ... 85
Hình 3.48. Ảnh hưởng của vị trí vịi phun đến vận tốc trung bình của hỗn hợp ... 86
Hình 3.49. Ảnh hưởng của vị trí vịi phun đến vận tốc trung bình của nhiên liệu ... 86
Hình 3.50. Ảnh hưởng của vị trí vịi phun đến động năng rối của hỗn hợp ... 87
Hình 3.51. Ảnh hưởng của áp suất phun đến lưu lượng phun nhiên liệu ... 87
Hình 3.52. Ảnh hưởng của áp suất phun đến vận tốc của dòng nhiên liệu trên đường nạp ... 88
Hình 3.53. Ảnh hưởng của áp suất phun đến vận tốc trung bình của dịng khí ... 89
Hình 3.54. Ảnh hưởng của áp suất phun đến động năng rối của hỗn hợp ... 89
Hình 3.55. Mơ men thay đổi theo tốc độ động cơ ... 90
Hình 3.56. Cơng suất thay đổi theo tốc độ động cơ của động cơ ... 90
Hình 3.57. Khí thải HC theo tốc độ động cơ ... 91
Hình 3.58. Khí thải CO theo tốc độ động cơ ... 91
Hình 3.59. Khí thải NO<small>x</small> theo tốc độ động cơ ... 92
Hình 4.1. Lưu lượng CNG cấp vào xylanh theo mơ phỏng ... 95
Hình 4.2. Vịi phun khí Hana H2100 ... 95
Hình 4.3. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến mơ men động cơ... 96
Hình 4.4. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến công suất của động cơ ... 97
Hình 4.5. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến phát thải CO ... 98
Hình 4.6. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến phát thải HC ... 98
Hình 4.7. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến phát thải NOx ... 99
Hình 4.8. Ảnh hưởng của áp suất phun đến lượng nhiên liệu cung cấp tại các tốc độ động cơ khác nhau ... 99
Hình 4.9. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến hệ số dư lượng khơng khí lambda ... 100
Hình 4.10. Ảnh hưởng của áp suất phun đến cơng suất của động cơ tại các tốc độ động cơ khác nhau ... 101
Hình 4.11. Ảnh hưởng của áp suất phun đến mô men của động cơ tại các tốc độ động cơ khác nhau ... 101
Hình 4.12. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến lượng phát thải CO ... 102
Hình 4.13. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến lượng phát thải HC ... 102
Hình 4.14. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến lượng phát thải NO<small>x</small> ... 103
Hình 4.15. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến lượng phát thải CO<small>2</small> ... 103
Hình 4.16. So sánh ảnh hưởng của chế độ phun đến mơ men ... 104
Hình 4.17. Ảnh hưởng của chế độ phun nhiên liệu đến công suất động cơ ... 105
Hình 4.18. Ảnh hưởng của chế độ phun đến khí thải NOx ... 105
Hình 4.19. Ảnh hưởng của chế độ phun nhiên liệu đến phát thải HC ... 106
Hình 4.20. Ảnh hưởng của chế độ phun nhiên liệu đến phát thải CO ... 106
Hình 4.21. So sánh mô men động cơ giữa thực nghiệm và mô phỏng ... 107
Hình 4.22. So sánh cơng suất động cơ giữa thực nghiệm và mơ phỏng ... 108
Hình 4.23. So sánh lượng khí thải HC giữa kết quả thực nghiệm và mơ phỏng .... 109
Hình 4.24. So sánh lượng khí thải NOx giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng .. 109
</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15"><b>DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU </b>
Bảng 1.1. So sánh đặc tính nhiên liệu khí thiên nhiên với xăng và diesel [110],
[111] ... 13
Bảng 2.1. Thông số kỹ thuật của động cơ S1100 ... 38
Bảng 2.2. Chức năng điều khiển của băng thử MP 100S ... 46
Bảng 2.3 Thông số cơ bản của máy phân tích khí thải KEG – 500 CE ... 47
Bảng 2.4. Thông số kỹ thuật động cơ sau chuyển đổi nghiên cứu ... 52
Bảng 3.1. Các phần tử trong mơ hình động cơ ... 57
Bảng 4.1. Thông số kỹ thuật của động cơ sau chuyển đổi ... 94
</div>
