Góp phần nghiên cứu ứng dụng LPG trên động cơ nén cháy ( thông tin công bố trên mạng )

i



ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG



NGUYỄN VĂN PHỤNG



GÓP PHẦN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG
LPG TRÊN ĐỘNG CƠ NÉN CHÁY



Chuyên ngành: Kỹ thuật Động cơ Nhiệt
Mã số: 62. 52. 34. 01



TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT




Đà Nẵng – 2014

ii


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG




NGUYỄN VĂN PHỤNG




GÓP PHẦN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG
LPG TRÊN ĐỘNG CƠ NÉN CHÁY




Chuyên ngành: Kỹ thuật Động cơ Nhiệt
Mã số: 62. 52. 34. 01




TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT








1. PGS.TS. Trần Văn Nam
2. PGS.TS. Trần Thanh Hải Tùng


PGS.TS. Nguyễn Hoàng Vũ
PGS.TS. Lê Anh Tuấn
TS. Nhan Hồng Quang



 












 - 
 

1

MỞ ĐẦU

- Tính cấp thiết của đề tài

          động cơ nén cháy -
compression ignition engines 



            





           





-


            ng



2

- Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài


-



           


              
      
-

   WL-        

diesel-LPG       Atmega32, các cảm
biến 
các cơ cấu chấp hành. 
 
không khí 
 
.


LPG-




 

3


         - 
-
Trong
   WL-        
  trên

IV/ 



             

            
nhiên l-
             
diesel-LPG-

--
LPG.




diesel- 


4

Chng 1
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
1.1. Khái quát
1.1.1. Môi trường và phương tiện giao thông
1.1.2. Nhiên liệu thay thế sử dụng trên phương tiện giao thông
1.1.3. Động cơ nén cháy hai nhiên liệu
  
             
   
             



-


               


hiện tượng kích nổ.
 




         - 
-


dies-
5

1.2. Tình hình nghiên cứu động cơ dùng hai nhiên liệu diesel-LPG trên
thế giới và ở Việt Nam
1.2.1. Các nghiên cứu động cơ dùng diesel-LPG trên thế giới
1.2.2. Các nghiên cứu động cơ dùng diesel-LPG ở Việt Nam
1.2.3. Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu


-


 

cháy diesel-

n cách


1.3. Kết luận
     




-



diesel/LPG.
6

Chương 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH CHÁY HỖN HỢP
DIESEL-LPG-KHÔNG KHÍ TRONG BUỒNG CHÁY NGĂN CÁCH
2.1. Cơ sở lý thuyết về quá trình cháy của động cơ dùng diesel-LPG
2.1.1. Xác định nồng độ oxygen, nồng độ nhiên liệu của hỗn hợp
trong buồng cháy ngăn cách

-
LPG-      
       
      




       
 (Hình 2.3).
2.1.2. Phương trình năng lượng của hỗn hợp hai nhiên liệu
-

 
 

 
cl)(UIGAS
4/3
tlp
2/1
lpL
4/3
uc



c
theo:
 
cI
GA
S
2/1
lpc
tu
c

















Trong đó: A: hằng số mô hình; ρ
u
khối lượng riêng của khí chưa cháy
đoạn nhiệt (kg/m³); τ
c
= α/S
2
L
: thang thời gian hóa học (s); τ
t
= l
t
/u’: thang
thời gian rối(s).
2.1.3. Sự lan tràn màng lửa trong quá trình cháy hỗn hợp hai nhiên
liệu



Hình 2.3: Sơ đồ hòa trộn nhiên liệu
diesel mồi với LPG và không khí
7

   
c
t
t
Sc
Sc
cvc
t
















Với: ρ
u
: khối lượng riêng của hỗn hợp chưa cháy; S
t
: tốc độ màng lửa rối.
2.1.4. Tốc độ lan tràn màng lửa cháy chảy tầng




uf
b
L
A
dt/dm
S



Trong đó: dm
b
/dt: tốc độ gia tăng áp suất trong buồng cháy; A
f
: bề
mặt màng lửa.


   
 




















00
u
3
3
2
21
2
210
0,
LL
P
P
T
T
DbDbDb1aaaSS

2.1.5. Tốc độ lan tràn màng lửa chảy rối

 

4/1
c
t
4/1
t
4/12/1
L
4/3
t
'uAlS'uAS













TrS
t
: tốc độ màng lửa rối; A: hằng số mô hình; u’: độ lệch
bình phương tốc độ; l
t
=C
D

x(u’)
3
/ε (m): thang độ dài rối (m); τ
c
= α/S
2
L

thang thời gian hóa học (s).
2.1.6. Nhiệt độ cháy và khối lượng riêng của hỗn hợp
2.1.7. Tính năng công tác của động cơ sử dụng diesel-LPG



i

i
.
2.2. Cháy kích nổ khi động cơ dùng hai nhiên liệu diesel-LPG
2.2.1. Thời kỳ cháy trễ

8

 
 
 
 
 
1
tRT/Eexptp

dt
K
1
T,pt
dt
ign
inj
ign
inj
t
t
t
t
q
inj

 


Trong đó: K = 2272; q = - 1,19; E/R=4650

 

















T
3800
expp
100
ON
68,17
7,1
402,3

Với: ON, A, B, n: chỉ số octane và các thông số của nhiên liệu.
2.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến cháy kích nổ trong động cơ hai
nhiên liệu
- 
- 
- 
2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm của động cơ
nén cháy
2.3.1. Trường hợp động cơ dùng 100% diesel



x


2.3.2. Trường hợp động cơ dùng diesel-LPG
 dàng, hòa trn v
x

gi, HC thp và sn vt cháy không có chc t cht ph gia.
2.4. Kết luận
-

-


x
và


-LPG.
9

Chương 3
MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH CHÁY VÀ XÁC ĐỊNH MỨC ĐỘ
PHÁT Ô NHIỄM CỦA ĐỘNG CƠ WL-TURBO DÙNG DIESEL-LPG
3.1. Giới thiệu phần mềm ANSYS-Fluent
3.2. Thiết lập mô hình quá trình cháy hỗn hợp hai nhiên liệu diesel-
LPG trong động cơ WL-Turbo
3.2.1. Kết cấu hình học và lưới động của buồng cháy động cơ

WL-

Hình 3.1: Kích thước hình học, kết cấu và lưới
động của buồng cháy động cơ WL-Turbo

3.2.2. Các thông số của mô hình buồng cháy
3.2.3. Các thông số của nhiên liệu
3.3. Diễn biến quá trình cháy của diesel và hỗn hợp LPG-không khí
trong buồng cháy ngăn cách khi mô phỏng bằng phần mềm Fluent
3.3.1. Diễn biến quá trình cháy nhiên liệu diesel


--
không 
3.3.2. Diễn biến quá trình cháy LPG
          


10

3.3.3. Diễn biến trường nồng độ bồ hóng và NO
x


x


x

nhanh (hình 3.4).

Hình 3.3: Diễn biến trường nồng độ

LPG, nhiệt độ và tốc độ vận động của
dòng khí trong buồng cháy của động cơ
dùng nhiên liệu diesel-LPG
Hình 3.4: Diễn biến của trường nồng
độ bồ hóng, NOx,nồng độ oxygen và
nhiệt độ môi chất của động cơ dùng
nhiên liệu diesel-LPG
3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính năng kỹ thuật của động cơ
3.4.1. Ảnh hưởng của thành phần CO
2
trong hỗn hợp

2


2



Hình 3.5: Biến thiên áp suất chỉ thị
theo thành phần CO
2


Hình 3.6: Biến thiên công chỉ thị
chu trình theo thành phần CO
2

0
1

2
3
4
5
6
7
180 225 270 315 360 405 450 495 540
pi(MPa)
)
P2B2C6 P3B3C4
P4B4C2 P5B5
0
1
2
3
4
5
6
7
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
pi(MPa)
V(L)
P2B2C6 P3B3C4
P4B4C2 P5B5
11

3.4.2. Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí
, 



Hình 3.15: Ảnh hưởng hệ số α đến
nhiệt độ trung bình môi chất

Hình 3.16: Ảnh hưởng hệ số α
đến nồng độ chất oxy hóa
3.4.3. Ảnh hưởng của tốc độ động cơ


x

hình 3.27 và 3.28.

Hình 3.27: Ảnh hưởng của tốc độ
đến nồng độ bồ hóng của khí thải
Hình 3.28: Ảnh hưởng của tốc độ
đến nồng độ NO
x
của khí thải
3.4.4. Ảnh hưởng của lưu lượng diesel phun mồi
    
ct
= 0,045 g/ct,       
 
 và 3.34).
0
500
1000
1500
2000

2500
180 225 270 315 360 405 450 495 540
T (K)





0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
180 225 270 315 360 405 450 495 540
XO2(%)
)




0
7
14
21
28
35
42
49
180 225 270 315 360 405 450 495 540

Xsoot
(%HSU)
(°)
n= 3000 v/ph n= 2500 v/ph
n= 2000 v/ph n=1000 v/ph
0
3
6
9
12
15
18
180 225 270 315 360 405 450 495 540
XNOx
(ppm)
φ(º)
n =3000 v/ph n =2500 v/ph
n =2000 v/ph n =1000 v/ph
12


Hình 3.33: Ảnh hưởng của lưu lượng
diesel đến công chỉ thị chu trình
Hình 3.34: Ảnh hưởng của lưu lượng
diesel đến công suất động cơ
3.4.5. Ảnh hưởng của cháy kích nổ

nhi


Hình 3.35: Áp suất chỉ thị của động cơ
khi cháy kích nổ

Hình 3.36: Nhiệt độ trung bình môi
chất khi cháy kích nổ
3.5. Kết luận
-
. giúp 


ct


ct

0,92, 


2


0
150
300
450
600
750
900
1050
0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06

L(J)
gds(g/ct)
10.8
23.1
38.8
37.6
0
7
13
20
26
33
39
46
0,008 g/ct 0,031 g/ct 0,045 g/ct 0,053 g/ct
Ne
(kW)
0
10
20
30
40
50
60
180 225 270 315 360 405 450 495 540
pi
(MPa)
º)
 
0

750
1500
2250
3000
3750
4500
5250
180 225 270 315 360 405 450 495 540
T(K)
º)
 
13

Chương 4
XÂY DỰNG VÀ BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM
       

4.1. Mục tiêu, điều kiện, phương pháp và nội dung thực nghiệm
4.1.1. Mục tiêu thí nghiệm
4.1.2. Điều kiện thí nghiệm
4.1.3. Phương pháp thí nghiệm
4.1.4. Nội dung thí nghiệm

Thí n
   


4.2. Bố trí thí nghiệm
--TE là
        


Bảng 4.1:Thông số kỹ thuật của hai động cơ WL-Turbo và 1KZ-TE
TT
Các thông số
WL-Turbo
1KZ-TE
1
Côn
85/3500
96/3600
2

280/2000
289/2000
3

3500
3600
4

19,8:1
21,2:1
5

2499
2665
6

93/92
95/94

7

4
4
8

11,6÷12,4
12,5÷13,4
9

10
11
-Turbo dùng diesel-


-
14


2


4.3. Thiết bị AVL dùng trong thí nghiệm
, t
, t
, t
 -      , t    
   , t          

2

, CO, HC, O
2
, NO
x

, t

AVL

4.4. Thiết bị cung cấp LPG và hồi lưu khí thải dùng trong thí nghiệm
4.4.1. Bộ hóa hơi-giảm áp

Hình 4.7: Bộ hóa hơi-giảm áp
1.Màng cao su giảm áp; 2. Van nạp LPG lỏng; 3. Đầu nối với ống LPG lỏng; 4.
Đầu nối nước ra; 5. Ống đồng truyền nhiệt cho LPG; 6. Đầu nối ra khí LPG thấp
áp; 7. Màng cao su giảm áp; 8. Lò xo điều chỉnh áp suất khí LPG; 9. Vít điều
chỉnh áp suất khí LPG; 10. Van hạ áp khí LPG; 11. Đầu nối nước vào; 12. Môi
trường nước truyền nhiệt; 13. Lò xo điều chỉnh áp suất LPG lỏng; 14. Tay điều
15

chỉnh áp suất LPG lỏng; A: khoang chứa LPG lỏng áp suất cao; B: khoang chứa
nước cấp nhiệt cho LPG hóa hơi; C: khoang chứa khí LPG thấp áp.


-5°C và hóa



4.4.2. Vòi phun LPG
Vòi phun phun khí LPG vào

      
      
kim phun LPG (Hình 4.10).






Hình 4. 10: Cụm chi tiết nối ghép giữa
kim phun với vòi phun LPG
4.4.3. Van hồi lưu khí thải


Hình 4.11: Kết cấu van hồi lưu khí thải
1.Khí thải vào từ cụm làm mát; 2. Lò
xo hồi vị; 3. Chốt động cơ bước; 4.
Động cơ bước; 5. Thân van; 6. Chốt
van m;7. Khí thải ra khỏi van
4.4.4. Bộ làm mát khí thải hồi lưu

Hình 4.12: Kết cấu bộ làm mát khí thải hồi lưu
1.Khí thải vào cụm làm mát; 2. Ống nước ra; 3. Ống đồng truyền nhiệt giữa khí
thải và môi trường nước; 4. Đồng hồ đo nhiệt độ khí thải; 5. Khí thải ra khỏi cụm
làm mát; 6. Ống nối cảm biến áp suất; 7. Ống nước vào. A. Khoang khí thải ở nhiệt
16

độ cao; B. Khoang môi trường nước truyền nhiệt cho khí thải hồi lưu; C. Khoang
chứa khí thải ở nhiệt độ xấp xỉ nhiệt độ môi trường.




4.5. Bộ điều chỉnh cung cấp diesel-LPG và tiết lưu khí thải hồi lưu
4.5.1. Nguyên lý hoạt động của bộ điều chỉnh
4.5.2. Các cảm biến sử dụng trong bộ điều chỉnh
4.5.3. Các cơ cấu chấp hành trong bộ điều chỉnh
4.5.4. Mạch điện tử điều khiển lưu lượng diesel-LPG và hồi lưu khí thải


-LPG 



Hình 4.34: Sơ đồ modun điều khiển trung tâm
4.6. Kết luận


-

              

17


2

-Turbo.
Chương 5
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN
          -TE và WL-

Turbo dùng diesel-

-Turbo dùng diesel-
bình.
5.1. Kết quả thực nghiệm
5.1.1. Phạm vi làm việc thường xuyên của động cơ WL-Turbo khi
sử dụng 100% diesel


ct
= (0,027 ÷ 0,057) g/ct. Công

LPG/ds max
= 14,7 kW (Hình 5.1 và 5.2).

Hình 5.1: Đặc tính ngoài của động cơ WL-
Turbo dùng 100%diesel đo trên băng thử
Hình 5.2: Phạm vi làm việc thường
xuyên của động cơ WL-Turbo trên ô tô
5.1.2. Vận hành ở chế độ không tải (thí nghiệm trên động cơ 1KZ-
TE dùng diesel-LPG áp dụng giải pháp bổ sung CO
2
)
  

2
-TE dùng diesel-

2


  
0
10
20
30
40
50
60
70
0
50
100
150
200
250
300
1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000
Ne (kW)
Me (Nm)
n(v/ph)
Me Ne qds(kJ/ct)
qds(kJ/ct)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
0.0

0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Nc/Nen

Ne/Nen

Ne/Nemax

Nc/Nemax
18

CO
2
   
004,0gct493,0gct
LPGCO
2

    


Hình 5.8: Giới hạn không kích nổ khi động
cơ 1KZ-TE dùng diesel-LPG, bổ sung CO
2

Hình 5.9: Biến thiên lưu lượng
CO
2
theo lượng nhiên liệu LPG
5.1.3. Vận hành chế độ tải thấp của động cơ WL-Turbo dùng diesel-
LPG khi áp dụng các giải pháp hạn chế kích nổ

  diesel X
nal
% = 9,9%.        
CO
2

=

ds
= 1,383
kJ/

Hình 5.14: Công suất và mô men
động cơ khi tăng lượng CO
2


Hình 5.15: Tỷ lệ năng lượng thay thế
LPG/(LPG+diesel) ở chế độ tải thấp

2


hình 5.15 và 
Bảng 5.2: Tỷ lệ năng lượng LPG thay thế diesel khi bổ sung CO
2
ở chế độ tải thấp
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0.000
0.005
0.010
0.015
0.020
0.025
0.030
0.035
0.040
750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500
gds
(g/ct)
gLPG
(g/ct)
n(v/ph)
gLPG(g/ct) gCO2 (g/ct) gds*E3(g/ct)
gCO2
(g/ct)
gCO2 = 0,493xgLPG + 0.0041
0.012

0.014
0.016
0.018
0.020
0.022
0.024
0.026
0.02 0.02 0.03 0.03 0.03 0.04 0.04 0.04
gCO2
(g/ct)
gLPG/(g/ct)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 2 3 5 6 8 9 11 12
Ne (kW)
qLPG(kJ/ct)
gctCO2=0,02g/ct gctCO2=0,01g/ct
0
10
20
30
40
50

60
70
0. 3. 5. 8. 10. 13. 15. 18. 20.
Xnal%
Ne(kW)
XqLPG/q(%)= 41,3%
19

Ne (kW)
3,3
6,3
9,5
12,7
15,9
18,9

X
nal
%
13,89
29,14
40,57
48,04
55,54
60,63
41,3


LPG





Hình 5.26: Công suất động cơ theo các
giải pháp hạn chế kích nổ, n=1250 v/ph
Hình 5.27: Công suất động cơ theo các
giải pháp hạn chế kích nổ, n=1750 v/ph
 t 1250 v/ph, khi hi n NO
x
gim 91,5% và
khi b sung CO
2
,

NO
x
gim 84%. Tuy nhiên  t 1750 v/ph, khi h
12% EGR n NO
x
gim 87%; khi cp CO
2
ng np NO
x
gim
84% và i n NO
x
gi
5.31.

Hình 5.30: Nồng độ bồ hóng theo công

suất động cơ khi hạn chế kích nổ ở
1750 v/ph
Hình 5.31: Nồng độ NO
x
theo công suất
động cơ khi hạn chế kích nổ ở 1750 v/ph
11.8
10.5
11.8
11.9
9
10
11
12
13
"100%ds" "+CO2"

"+EGR"
Ne(kW)
n = 1250 v/ph
qLPG = 9,83 kJ/ct
16.3
17.7
16.9
12
0
3
6
9
12

15
18
21
"100%ds" "+CO2"

"+EGR"
Ne(kW)
n = 1750 v/ph
qLPG = 10,61 kJ/ct
0
10
20
30
40
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Xsoot
(%HSU)
Ne (kW)
n=1750 v/ph
"100% ds" "+CO2"

"+12%EGR"
0
50
100
150
200
250
300
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

XNOx
(ppm)
Ne (kW)
n=1750v/ph
"100%ds"

"+CO2" "+12%EGR"
20

Vic kt hp cung cp LPG, CO
2
và u chng hi
bng b u khin t -turbo cho thy n NO
x

 và n b hóng . Tuy nhiên, nu so sánh
n c b hóng và NO
x
trong khí thi thì hi là gii pháp
hiu qu nhi vi y diesel-LPG.
5.1.4. Vận hành chế độ tải thấp của động cơ WL-Turbo dùng diesel-
LPG khi điều chỉnh góc phun sớm
             

ct

nl

, 
góc  

Hình 5.38: Nồng độ bồ hóng theo góc điều
chỉnh phun sớm ở n=1250 v/ph và n=1750 v/ph
Hình 5.39: Đặc tính điều chỉnh
góc phun sớm
5.1.5. Vận hành chế độ tải trung bình của động cơ WL-Turbo dùng
diesel-LPG
5.1.6. Thí nghiệm phối hợp các giải pháp hạn chế kích nổ
5.2. Đánh giá kết quả động cơ WL-Turbo dùng diesel-LPG ở chế độ tải
trung bình cho bởi mô phỏng và thực nghiệm
5.2.1. Về áp suất chỉ thị của động cơ WL-Turbo
5.2.2. Về công suất và mô men của động cơ WL-Turbo
LPG = 0,036 g/ct, diesel g
ds
= 0,037 g/ct và CO
2
g
CO2

0
1.5
3
4.5
6
7.5
9
10.5
5 7 9 11 13 15 17 19
Xsoot
(%HSU)


s
()
1250 v/ph 1750 v/ph
0
50
100
150
200
0
3.5
7
10.5
14
17.5
21
24.5
6 8 10 12 14 16 18
Me
(Nm)
Ne(kW)

s
(º)
Ne Gnl Xsoot
Me ge
Gnl(kg/h)
Xsoot(%HSU)
ge(g/kWh)
21


 


Hình 5.46: Áp suất chỉ thị của động
cơ WL-Turbo dùng diesel-LPG, cho
bởi mô phỏng và thực nghiệm

Hình 5.48: Công suất và mô men
của động cơ WL-Turbo cho bởi mô
phỏng và thực nghiệm
5.2.3. Về nồng độ bồ hóng và NO
x
của động cơ WL-Turbo
, sai
7,8% và NO
x
3,5% (Hình 5.49 và 5.50).

Hình 5.49: Nồng độ bồ hóng của động cơ
dùng diesel-LPG bổ sung CO
2
cho bởi mô
phỏng và thực nghiệm
Hình 5.50: Nồng độ NO
x
của động cơ
dùng diesel-LPG bổ sung CO
2

cho bởi
mô phỏng và thực nghiệm
0
1
2
3
4
5
180 225 270 315 360 405 450 495 540
pi(MPa)
º)
n = 2000 v/ph

pi.MP pi.TN
0
10
20
30
40
50
0
40
80
120
160
200
240
1000 1500 2000 2500 3000
Me(Nm)
Ne(kW)

n(v/ph)
Me.TN Me.MP
Ne.TN Ne.MP
0
7.5
15
22.5
30
37.5
45
52.5
1000 1500 2000 2500 3000
Xsoot
(%HSU)
n (v/ph)
 
0
2
4
6
8
10
12
14
16
1000 1500 2000 2500 3000
XNOx
(ppm)
n (v/ph )
 

22

5.3. Kết luận
 
 

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Kết luận của luận án
         -  

 , 

-
m


            
diesel-LPG trong -Turbo 
. V-
, 
các  


           
-        
 

 
 


23

-



-Turbo và
-TE -
             
nguy. 

- khi -TE dùng diesel-LPG thì 

2
) và

2


2

   -          
.004,0G49,0G
LPGCO
2


-  -Turbo dùng
diesel-             


 có

x



2

 

nal
% = 41,3 %;
- 
