Mô phỏng quá trình cháy của động cơ phun xăng trực tiếp sử dụng nhiên liệu xăng ethanol
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4 MB, 97 trang )
..
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ GIAO THƠNG
MƠ PHỎNG Q TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ PHUN
XĂNG TRỰC TIẾP SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU
XĂNG- ETHANOL
Sinh viên thực hiện: ĐỖ NGỌC THƯƠNG
Đà Nẵng – Năm 2018
TĨM TẮT
Tên đề tài: “ Mơ phỏng q trình cháy của động cơ phun xăng trực tiếp sử dụng nhiên
liệu xăng-ethanol ”.
Sinh viên thực hiện:
Số thẻ SV:
Đỗ Ngọc Thương
103130083
Lớp: 13C4A
Đề tài này tập trung về việc tìm hiểu và thực hiện mơ phỏng q trình cháy động
cơ phun xăng trực tiếp sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol. Đề tài được xây dựng từ nhiều
kiến thức chuyên ngành phục vụ việc tính tốn và mơ phỏng.
Chương 1: Tổng quan về động cơ đánh lửa cưỡng bức phun xăng trực tiếp GDI. Giới
thiệu động cơ sử dụng hệ thống phun xăng trực tiếp và nhiên liệu xăng-ethanol.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Trình bày chu trình làm việc của động cơ đánh lửa cưỡng
bức, cơ sở lý thuyết về mơ phỏng q trình cháy.
Chương 3: Mơ hình hóa 3D buồng cháy, lập quy trình tính tốn và điều kiện biên mơ
phỏng q trình cháy động cơ Daewoo Nubira 1.6L DOHC. Giới thiệu phần mềm
ANSYS Fluent 15.0 và động cơ Daewoo Nubira 1.6L DOHC. Trình bày việc xây dựng
mơ hình buồng cháy bằng phần mềm Catia, xây dựng quy trình tính tốn và xác định
các điều kiện biên mô phỏng.
Chương 4: Kết quả mô phỏng quá trình cháy của động cơ phun xăng trực tiếp sử dụng
nhiên liệu xăng-ethanol. Trình bày kết quả về ảnh hưởng của tỉ lệ ethanol và thời điểm
phun đến các chu trình làm việc của động cơ.
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
KHOA CƠ KHÍ GIAO THƠNG
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:
Đỗ Ngọc Thương
Số thẻ sinh viên: 103130083
Lớp: 13C4A
Khoa: Cơ Khí Giao Thơng
Ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
1. Tên đề tài đồ án:
“ Mơ phỏng q trình cháy của động cơ phun xăng trực tiếp sử dụng nhiên liệu xăngethanol ”.
2. Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện
3. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
Theo catalog động cơ Daewoo Nubira 1.6L DOHC
Theo tài liệu tham khảo
4. Nội dung các phần thuyết minh và tính tốn:
-
Tổng quan về động cơ đánh lửa cưỡng bức phun xăng trực tiếp GDI.
Cơ sở lý thuyết.
Mơ hình hóa 3D buồng cháy, lập quy trình tính tốn và điều kiện biên mơ
-
phỏng q trình cháy động cơ Daewoo Nubira 1.6L DOHC.
Kết quả mơ phỏng q trình cháy của động cơ phun xăng trực tiếp sử dụng
nhiên liệu xăng-ethanol.
5. Các bản vẽ, đồ thị:
STT
Tên bản vẽ
Số lượng/loại giấy
1
Bản vẽ mặt cắt dọc động cơ
1/A3
2
Sơ đồ quy trình tính tốn
1/A3
3
Mơ hình hình học buồng cháy
1/A3
4
Kết quả mô phỏng
5/A3
Tổng
6. Họ tên người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Quang Trung
7. Ngày giao nhiệm vụ đồ án:
29/1/2018
8. Ngày hoàn thành đồ án:
28/5/2018
8/A3
Đà Nẵng, ngày 29 tháng 1 năm 2018
Trưởng Bộ môn: Máy Động Lực
Người hướng dẫn
PGS.TS. Dương Việt Dũng
ThS. Nguyễn Quang Trung
LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt trong
khi đó nhu cầu về năng lượng trên thế giới không ngừng tăng lên vì vậy việc nghiên cứu
sử dụng các dạng năng lượng mới đang rất được quan tâm. Việc nghiên cứu sử dụng
nhiên liệu sinh học đang là giải pháp cần thiết thay thế cho nhiên liệu hóa thạch. Vì vậy
việc sản xuất nhiên liệu sinh học đã có thể thực hiện, ngồi ra sử dụng nhiên liệu sinh
học cịn góp phần giảm thiểu ơ nhiễm mơi trường.
Từ vấn đề đó, với những kiến thức đã học và sự hướng dẫn tận tình của giáo viên
hướng dẫn, em quyết định thực hiện đề tài: “ Mơ phỏng q trình cháy của động cơ
phun xăng trực tiếp sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol”.
Trên cơ sở lý thuyết đề tài đã thực hiện mô phỏng quá trình cháy của động cơ phun
xăng trực tiếp sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol trên động cơ đánh lửa cưỡng bức nhờ
phần mềm ANSYS Fluent 15.0 nhằm đánh giá khả năng sử dụng tỉ lệ ethanol ở vị trí và
thời điểm phun nhiên liệu. Từ đó rút ra được kết luận khả năng sử dụng tỉ lệ ethanol
trong thực tế đáp ứng được cơng suất động cơ và kiểm sốt lượng phát thải ô nhiễm.
Qua thời gian thực hiện đồ án em đã có cơ hội học cách làm việc theo nhóm và ơn
lại những kiến thức đã học về động cơ đốt trong. Tìm hiểu những kiến thức mới về nhiên
liệu sinh học và học hỏi những kỹ năng sử dụng phần mềm giúp ích nhiều cho việc phát
triển bản thân.
Trong thời gian thực hiện đề tài do thời gian có hạn và kiến thức cịn hạn chế nên
trong q trình thực hiện khơng thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Em xin chân
thành cảm ơn thầy Nguyễn Quang Trung đã tận tình hướng dẫn trong quá trình làm đồ
án này. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy để đề tài được hoàn
thiện hơn.
i
CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài “Mô phỏng quá trình cháy của động cơ phun xăng trực
tiếp sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol ” này được thực hiện dựa trên sự giúp đỡ của giáo
viên hướng dẫn cùng sự thu thập kiến thức từ các tài liệu tham khảo. Vì vậy đề tài đảm
bảo tính liêm chính học thuật.
Sinh viên thực hiện
Đỗ Ngọc Thương
ii
MỤC LỤC
TÓM TẮT ........................................................................................................................
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ..............................................................................
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................ i
CAM ĐOAN .................................................................................................................. ii
MỤC LỤC .................................................................................................................... iii
DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ ...................................................................... vi
DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .................................................... ix
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
Chương 1:
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC PHUN
XĂNG TRỰC TIẾP GDI ..............................................................................................2
1.1. Giới thiệu động cơ đánh lửa cưỡng bức phun xăng trực tiếp GDI .......................2
1.1.1. Động cơ phun xăng trực tiếp ..........................................................................2
1.1.2. Các dạng buồng cháy của động cơ phun xăng trực tiếp .................................5
1.1.2.1. Các yêu cầu cơ bản của buồng cháy GDI ................................................5
1.1.2.2. Vị trí đặt kim phun và bougie...................................................................5
1.1.2.3. Các phương pháp tạo hỗn hợp phân lớp trong buồng đốt động cơ GDI ..6
1.1.3. Hệ thống cung cấp nhiên liệu của động cơ phun xăng trực tiếp GDI ............6
1.2. Tính chất của nhiên liệu xăng và ethanol ..............................................................8
1.2.1. Tính chất của nhiên liệu xăng .........................................................................8
1.2.1.1. Thành phần hóa học cơ bản và các phụ gia của xăng ..............................8
1.2.1.2. Các chỉ tiêu đánh giá tính chất cơ bản của nhiên liệu xăng .....................9
1.2.2. Cồn sinh học .................................................................................................12
Chương 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT ..............................................................................14
2.1. Chu trình làm việc của động cơ đánh lửa cưỡng bức [1] ....................................14
2.1.1. Quá trình nạp ................................................................................................14
2.1.1.1. Khái niệm chung và các thông số cơ bản ...............................................14
2.1.1.2. Hệ số nạp ................................................................................................17
2.1.2. Quá trình nén ................................................................................................17
2.1.2.1. Diễn biến và các thông số cơ bản của của trình nén ..............................17
iii
2.1.2.2. Những yếu tố gây ảnh hưởng đến n1 trung bình: ................................... 18
2.1.3. Quá trình cháy .............................................................................................. 19
2.1.4. Quá trình giãn nở .......................................................................................... 21
2.1.5. Q trình thải ................................................................................................ 23
2.2. Lí thuyết mơ phỏng q trình cháy của động cơ đốt trong ................................. 23
2.2.1. Chu trình nhiệt động động cơ đốt trong ....................................................... 23
2.2.2. Cơ sở xác định các thông số hịa khí ............................................................ 25
2.2.2.1. Hệ số tương đương [5] ........................................................................ 25
2.2.2.2. Quy luật truyền nhiệt [5] ........................................................................ 25
2.2.2.3. Quy luật trao đổi chất [5] ....................................................................... 25
2.2.2.4. Nhiệt động học của tia phun .................................................................. 26
2.2.2.5. Nhiệt động môi chất ............................................................................... 26
2.2.3. Mơ hình tính tốn chu trình nhiệt động cơ đốt trong ................................... 27
2.2.3.1. Sơ đồ thuật tốn tính nhiệt động học động cơ đốt trong ........................ 27
2.2.3.2. Mơ hình 3D-CFD tính tốn q trình cháy động cơ đốt trong .............. 29
2.2.3.3. Hệ phương trình vi phân sử dụng trong mô phỏng 3D-CFD ................. 31
2.2.4. Nhiệt động học phản ứng ............................................................................. 33
2.2.4.1. Nhiệt động hỗn hợp ................................................................................ 34
2.2.4.2. Nhiệt động phản ứng .............................................................................. 34
2.2.4.3. Mơ hình cháy hai khu vực ngọn lửa rối ................................................. 36
Chương 3: MƠ HÌNH HĨA 3D BUỒNG CHÁY, LẬP QUY TRÌNH TÍNH TỐN
VÀ ĐIỀU KIỆN BIÊN MƠ PHỎNG Q TRÌNH CHÁY ĐỘNG CƠ DAEWOO
NUBIRA 1.6L DOHC ................................................................................................. 38
3.1. Giới thiệu động cơ Daewoo Nubira 1.6L DOHC ............................................... 38
3.1.1. Thông số kĩ thuật của động cơ Daewoo Nubira 1.6L DOHC ...................... 38
3.1.2. Tính tốn lượng nhiên liệu xăng-ethanol cung cấp cho động cơ và hệ số tương
đương ...................................................................................................................... 39
3.1.2.1. Tính tốn lượng nhiên liệu xăng-ethanol cung cấp cho động cơ ........... 39
3.1.2.2. Tính hệ số tương đương ϕ ...................................................................... 41
3.2. Xây dựng mơ hình 3D buồng cháy, lập quy trình tính tốn và điều kiện biên điểm
mơ phỏng quá trính cháy động cơ Daewoo Nubira 1.6L DOHC .............................. 42
3.2.1. Giới thiệu phần mềm ANSYS Fluent 15.0 ................................................... 42
3.2.2. Xây dựng mơ hình buồng cháy mơ phỏng ................................................... 43
3.2.3. Quy trình tính tốn và điều kiện biên ........................................................... 45
3.2.3.1. Quy trình tính tốn ................................................................................. 45
iv
3.2.3.2. Điều kiện biên ........................................................................................46
Chương 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ PHUN
XĂNG TRỰC TIẾP SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU XĂNG-ETHANOL ......................47
4.1. Trường hợp xăng phun trực tiếp vào buồng cháy (GDI), ethanol phun trên đường
nạp (EPI) ....................................................................................................................47
4.1.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ ethanol (E) đến các chu trình làm việc của động cơ ....47
4.1.1.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ E đến quá trình nạp ................................................47
4.1.1.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ E đến quá trình cháy giãn nở .................................49
4.1.1.3. Đánh giá phân bố nồng độ hơi xăng, ethanol trong quá trình nén và quá
trình cháy .............................................................................................................52
4.1.2. Ảnh hưởng của thời điểm phun đến các chu trình làm việc của động cơ ở E30
................................................................................................................................55
4.1.2.1. Ảnh hưởng của thời điểm phun đến quá trình nạp .................................55
4.1.2.2. Ảnh hưởng của thời điểm phun đến quá trình cháy giãn nở ..................57
4.1.2.3. Đánh giá sự phân lớp cuối quá trình nén của hỗn hợp xăng-ethanol .....62
4.2. Trường hợp ethanol phun trực tiếp vào buồng cháy (EDI), xăng phun trên đường
nạp (GPI) ....................................................................................................................64
4.2.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ E đến quá trình nạp ......................................................64
4.2.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ E đến quá trình cháy giãn nở .......................................67
4.2.3. Đánh giá phân bố nồng độ hơi xăng, ethanol trong quá trình nén và quá trình
cháy .........................................................................................................................69
4.3. Đánh giá kết quả của hai trường hợp phun GDI-EPI và EDI-GPI .....................72
4.3.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ ethanol ..........................................................................72
4.3.2. Ảnh hưởng của thời điểm phun nhiên liệu ...................................................74
4.3.3. Ảnh hưởng của vị trí đặt vịi phun nhiên liệu trong động cơ........................75
KẾT LUẬN ..................................................................................................................77
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................78
PHỤ LỤC
v
DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ
Bảng 1.1. So sánh một số tính chất của cồn so với xăng .............................................. 12
Bảng 3.1. Các thông số động cơ Daewoo Nubira 1.6L DOHC .................................... 38
Bảng 3.2. Dữ liệu phun ethanol, xăng trong nhiên liệu theo khối lượng tính từ tỉ lệ thể
tích ................................................................................................................................. 41
Bảng 3.3. Tỉ lệ đậm, nhạt của hỗn hợp nhiên liệu theo ϕ và λ [6] ................................ 42
Bảng 3.4. Điều kiện biên ............................................................................................... 46
Bảng 4.1. Nhiệt độ, áp suất cuối quá trình nạp ............................................................. 48
Bảng 4.2. Hệ số dư lượng khơng khí α và hệ số tương đương ϕ theo thành phần hỗn
hợp nhiên liệu ở 330 độ ................................................................................................. 49
Bảng 4.3. Nhiệt độ, áp suất cực đại trong quá trình cháy giãn nở ................................ 50
Bảng 4.4. Lượng NO, CO2 cực đại sinh trong quá trình cháy giãn nở theo tỉ lệ ethanol
....................................................................................................................................... 51
Bảng 4.5. Nhiệt độ, áp suất cuối quá trình nạp ở các thời điểm phun .......................... 56
Bảng 4.6. Hệ số dư lượng khơng khí λ và hệ số tương đương ϕ theo thành phần hỗn
hợp nhiên liệu ở 330 độ ................................................................................................. 57
Bảng 4.7. Nhiệt độ, áp suất cực đại trong quá trình cháy giãn nở ở các thời điểm phun
....................................................................................................................................... 58
Bảng 4.8. Nhiệt độ, áp suất cuối quá trình nạp ............................................................. 65
Bảng 4.9. Nhiệt độ, áp suất cực đại trong quá trình cháy giãn nở ................................ 68
Bảng 4.10. Lượng NO, CO2 cực đại sinh trong quá trình cháy giãn nở theo tỉ lệ ethanol
....................................................................................................................................... 69
Hình 1.1. Lịch sử hình thành động cơ GDI ..................................................................... 2
Hình 1.2. Buồng cháy động cơ phun xăng trực tiếp ....................................................... 3
Hình 1.3. Sơ đồ kết cấu buồng đốt động cơ PFI và GDI ................................................ 4
Hình 1.4. Động cơ phun xăng trực tiếp Mazda Sky-G.................................................... 4
Hình 1.5. Sơ đồ các vị trí khác nhau của kim phun ........................................................ 5
Hình 1.6. Sơ đồ các dạng buồng đốt tạo hỗn hợp phân lớp ............................................ 6
Hình 1.7. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ phun xăng trực tiếp của Bosch ................ 7
Hình 2.1. Phần đồ thị cơng của q trình thay đổi khí trong động cơ bốn kỳ .............. 15
Hình 2.2. Đồ thị p-V phân tích các đường cong đặc trưng trạng thái của quá trình nén
....................................................................................................................................... 18
Hình 2.3. Quá trình cháy của động cơ xăng cháy cưỡng bức. ...................................... 19
Hình 2.4. Diễn biến thực tế của áp suất p và chỉ số giãn nở n 2’ trong quá trình giãn nở
....................................................................................................................................... 22
Hình 2.5. Diễn biến quá trình thải trong động cơ bốn kỳ ............................................. 23
Hình 2.6. Mơ hình hệ nhiệt động học mở động cơ đốt trong ........................................ 24
Hình 2.7. Sơ đồ tính chu trình nhiệt động cơ đốt trong [5] ........................................... 27
vi
Hình 2.8. Quasi-Dimensional Models ...........................................................................28
Hình 2.9. Sơ đồ truyền lửa ngọn lửa rối ........................................................................29
Hình 2.10. Mơ hình lưới 3D-CFD một xi-lanh của một động cơ đánh lửa cưỡng bức .30
Hình 3.1. Mặt cắt dọc động cơ Daewoo Nubira 1.6L DOHC .......................................39
Hình 3.2. Chân vịt được mơ hình hóa bằng ANSYS Fluent .........................................42
Hình 3.3. Máy bay được mơ hình hóa bằng ANSYS Fluent .........................................42
Hình 3.4. Động cơ đốt trong được mơ hình hóa bằng ANSYS Fluent .........................43
Hình 3.5. Mơ hình hình học buồng cháy .......................................................................44
Hình 3.6. Mơ hình chia lưới buồng cháy trong Ansys ..................................................44
Hình 3.7. Thơng số chia lưới tự động trong mơi trường Ansys ....................................45
Hình 3.8. Quy trình tính tốn.........................................................................................46
Hình 4.1. Diễn biến áp suất trong q trình nạp (GDI-EPI) .........................................47
Hình 4.2. Diễn biến nhiệt độ trong quá trình nạp (GDI-EPI) ........................................48
Hình 4.3. Diễn biến khối lượng riêng trong quá trình nạp (GDI-EPI) ..........................48
Hình 4.4. Diễn biến tốc độ bốc hơi của xăng/ethanol trong quá trình nạp (GDI-EPI) .49
Hình 4.5. Diễn biến áp suất trong quá trình cháy giãn nở (GDI-EPI)...........................50
Hình 4.6. Diễn biến nhiệt độ trong quá trình cháy giãn nở (GDI-EPI) .........................50
Hình 4.7. Diễn biến khí thải NO trong quá trình cháy (GDI-EPI) ................................51
Hình 4.8. Diễn biến khí thải CO2 trong q trình cháy (GDI-EPI) ...............................51
Hình 4.9. Phân bố nồng độ xăng ở E0, E10, E20, E30, E40, E50 ................................53
Hình 4.10. Phân bố nồng độ ethanol ở E0, E10, E20, E30, E40, E50 ..........................55
Hình 4.11. Diễn biến áp suất trong quá trình nạp ở E30 ...............................................55
Hình 4.12. Diễn biến nhiệt độ trong quá trình nạp ở E30 .............................................56
Hình 4.13. Diễn biến khối lượng riêng trong quá trình nạp ở E30 ...............................56
Hình 4.14. Diễn biến tốc độ bốc hơi của xăng/ethanol trong quá trình nạp ở E30 .......57
Hình 4.15. Diễn biến áp suất trong quá trình cháy giãn nở ở E30 ................................58
Hình 4.16. Diễn biến nhiệt độ trong quá trình cháy giãn nở ở E30 ..............................58
Hình 4.17. Diễn biến khí thải NO trong q trình cháy ở E30......................................59
Hình 4.18. Diễn biến khí thải CO2 trong q trình cháy ở E30 ....................................59
Hình 4.19. Diễn biến hệ số tương đương trong quá trình nạp và nén ...........................60
Hình 4.20. Diễn biến nồng độ xăng (Gv), nồng độ ethanol (Ev), tốc độ bốc hơi (Er) và
hệ số dư lượng () ứng với phun xăng (GDI) ở 30 độ và phun ethanol (EPI) ở 100 độ
theo góc quay trục khuỷu. .............................................................................................61
Hình 4.21. Diễn biến nồng độ xăng (Gv), nồng độ ethanol (Ev), tốc độ bốc hơi (Er) và
hệ số dư lượng () ứng với phun xăng (GDI) ở 100 độ và phun ethanol (EPI) ở 30 độ
theo góc quay trục khuỷu. .............................................................................................61
Hình 4.22. Phân bố nồng độ ethanol trong quá trình nén và quá trình cháy ở các thời
điểm phun ......................................................................................................................63
vii
Hình 4.23. Phân bố nồng độ xăng trong quá trình nén và quá trình cháy ở các thời điểm
phun ............................................................................................................................... 64
Hình 4.24. Diễn biến áp suất trong quá trình nạp (EDI-GPI) ....................................... 65
Hình 4.25. Diễn biến nhiệt độ trong quá trình nạp (EDI-GPI) ..................................... 65
Hình 4.26. Diễn biến khối lượng riêng trong quá trình nạp (EDI-GPI) ........................ 66
Hình 4.27. Diễn biến tốc độ bốc hơi của xăng/ethanol trong quá trình nạp (EDI-GPI)66
Hình 4.28. Diễn biến áp suất trong quá trình cháy giãn nở (EDI-GPI) ........................ 67
Hình 4.29. Diễn biến nhiệt độ trong quá trình cháy giãn nở (EDI-GPI)....................... 67
Hình 4.30. Diễn biến khí thải NO trong q trình cháy (EDI-GPI) .............................. 68
Hình 4.31. Diễn biến khí thải CO2 trong q trình cháy (EDI-GPI) ............................. 68
Hình 4.32. Phân bố nồng độ xăng ở E0, E10, E20, E30, E40, E50 .............................. 70
Hình 4.33. Phân bố nồng độ ethanol ở E0, E10, E20, E30, E40, E50 .......................... 72
Hình 4.34. Diễn biến áp suất trong quá trình cháy của E30_GDI_EPI và E10_EDI_GPI
....................................................................................................................................... 72
Hình 4.35. Diễn biến nhiệt độ trong quá trình cháy của E30_GDI_EPI và E10_EDI_GPI
....................................................................................................................................... 73
Hình 4.36. Diễn biến khí thải NO trong quá trình cháy của E30_GDI_EPI và
E10_EDI_GPI ............................................................................................................... 73
Hình 4.37. Diễn biến áp suất trong quá trình cháy ở các thời điểm phun ..................... 74
Hình 4.38. Diễn biến nhiệt độ trong quá trình cháy ở các thời điểm phun ................... 74
Hình 4.39. Diễn biến khí thải NO trong q trình cháy ở các thời điểm phun ............. 75
Hình 4.40. Diễn biến áp suất trong quá trình cháy ở E10_GDI_EPI và E10_EDI_GPI
....................................................................................................................................... 75
Hình 4.41. Diễn biến nhiệt độ trong quá trình cháy ở E10_GDI_EPI và E10_EDI_GPI
....................................................................................................................................... 76
Hình 4.42. Diễn biến khí thải NO trong quá trình cháy ở E10_GDI_EPI và
E10_EDI_GPI ............................................................................................................... 76
viii
DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
KÝ HIỆU:
Vc : thể tích buồng cháy
Va: thể tích tồn phần
k: chỉ số đoạn nhiệt
pz: áp suất cực đại trong quá trình cháy
D: đường kính piston
S: Hành trình piston
pr: áp suất khí sót
Tz: nhiệt độ cực đại trong quá trình cháy
ε: tỉ số nén
α (λ): hệ số dư lượng khơng khí
pth: áp suất sản vật cháy trên đường thải
ϕ: hệ số tương đương
pk: áp suất môi chất ở trước xupap nạp
gct: lượng nhiên liệu cung cấp cho động
Tk: nhiệt môi chất ở trước xupap nạp
Tr: nhiệt độ khí sót
pa: áp suất mơi chất cuối q trình nạp
Ta: nhiệt độ mơi chất cuối q trình nạp
γr: hệ số khí sót
ηv: hệ số nạp
θs: góc đánh lửa sớm
n1: chỉ số nén đa biến trung bình
cơ trong một chu trình
n: tốc độ động cơ
Wk- tốc độ dịng khí tại cửa nạp vào
của đường nạp
W- tốc độ dịng khí qua xupap
0 - hệ số cản của đường nạp quy dẫn
về tốc độ W
CHỮ VIẾT TẮT:
ECU: Bộ điều khiển trung tâm
EFI : Hệ thống nhiên liệu điều khiển điện
tử
ĐCT: Điểm chết trên
ĐCD: Điểm chết dưới
DOHC: Hệ thống phân phối khí 2 trục
cam
CA: Góc quay trục khuỷu
GDI: động cơ phun xăng trực tiếp
EPI: động cơ phun ethanol trên đường
nạp
E: ethanol
TSOT: trị số octan
ix
Mơ phỏng q trình cháy của động cơ phun xăng trực tiếp sử dụng nhiên liệu xăng- ethanol
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết đề tài
Nhu cầu sử dụng năng lượng nói chung và nhiên liệu nói riêng của con người
tăng theo sự phát triển của xã hội, ô nhiễm môi trường đang là mối quan tâm hàng đầu
của nhân loại, những nguồn nhiên liệu hố thạch (xăng, dầu, khí đốt...) sẽ cạn kiệt. Với
tình hình đó thì vấn đề sử dụng nhiên liệu sạch cho các loại động cơ đốt trong đang là
mối quan tâm của nhiều nhà khoa học. Vì vậy, đề tài mơ phỏng q trình cháy của động
cơ phun xăng trực tiếp sử dụng nhiên liệu xăng- ethanol là cần thiết và đây cũng là cơ
sở để nghiên cứu phát triển động cơ sử dụng nhiên liệu sinh học trong hiện tại cũng như
tương lai.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Khảo sát động cơ phun nhiên liệu trực tiếp và một số tính chất của xăng-ethanol
trong tồn chứa và sử dụng;
- Đánh giá quá trình cháy của nhiên liệu xăng-ethanol thông qua kết quả mô
phỏng bằng phần mềm ANSYS Fluent 15.0.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
Động cơ Daewoo 1.6L DOHC là động cơ xăng bốn kỳ bốn xilanh, được sử dụng
làm nguồn động lực trên xe ơtơ Nubira, có cơng suất 79 kW tại tốc độ 6000 vòng/phút.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
Đề tài thực hiện mơ phỏng q trình cháy của động cơ phun xăng trực tiếp sử
dụng nhiên liệu xăng-ethanol trên động cơ đánh lửa cưỡng bức nhờ phần mềm ANSYS
Fluent 15.0 nhằm đánh giá khả năng sử dụng tỉ lệ ethanol ở vị trí và thời điểm phun
nhiên liệu. Từ đó rút ra được kết luận khả năng sử dụng tỉ lệ ethanol trong thực tế đáp
ứng được công suất động cơ và kiểm sốt lượng phát thải ơ nhiễm.
4. Phương pháp nghiên cứu
Mơ phỏng q trình cháy của động cơ phun xăng trực tiếp sử dụng nhiên liệu
xăng-ethanol trên động cơ Daewoo Nubira 1.6L DOHC nhờ phần mềm ANSYS Fluent
15.0.
Sinh viên thực hiện: Đỗ Ngọc Thương
Hướng dẫn: Nguyễn Quang Trung
1
Mơ phỏng q trình cháy của động cơ phun xăng trực tiếp sử dụng nhiên liệu xăng- ethanol
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC
PHUN XĂNG TRỰC TIẾP GDI
1.1. Giới thiệu động cơ đánh lửa cưỡng bức phun xăng trực tiếp GDI
1.1.1. Động cơ phun xăng trực tiếp
Hiện nay thách thức quan trọng nhất của các nhà sản xuất ô tô đối mặt là phải cung
cấp những chiếc xe hoạt động với công suất cao và hiệu suất nhiên liệu tối ưu trong khi
vẫn đảm bảo thải sạch và thoải mái cho người ngồi trên xe. Nhận thức được tình trạng
ấm lên của trái đất là mối đe dọa thật sự cho chúng ta càng thử thách các nhà sản xuất.
Để ngăn chặn nguy cơ này chúng ta cần giảm lượng khí CO2 gây hiệu ứng nhà kính và
để giảm khí CO2 sinh ra chúng ta cần nhanh chóng chế tạo ra những động cơ thải ít CO2
hơn những động cơ truyền thống.
Hình 1.1. Lịch sử hình thành động cơ GDI
1- Carburetor; 2- Ống nạp; 3- Phun nhiên liệu; 4- Kim phun
Động cơ GDI có một quá trình phát triển lâu dài. Đầu năm 1954, hãng xe nổi tiếng
Mercedes - Benz đã cho ra đời động cơ trên dòng xe thể thao Mercedes-Benz 300SL, sử
dụng hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng cháy của động cơ 6 xy-lanh. Đây có
thể xem là thế hệ động cơ GDI hoàn chỉnh đầu tiên trên thế giới. Phải mất một khoảng
thời gian sau nữa, từ năm 1960-1978 nhiều loại động cơ GDI mới được chế tạo nhằm
khai thác tiềm năng của loại động cơ này. Lần lượt các loại động cơ CVCC của Honda,
Ford PROCO, Texaco TCCS đã đặt nền tảng cho GDI hiện đại, đây là thế hệ thứ 2 của
GDI. Năm 2002 hãng sản suất GM của mỹ cũng cho ra mắt mẫu xe đầu tiên sử dụng
công nghệ này và đến năm 2006 Toyota mới chính thức giới thiệu sản phẩm đầu tiên
ứng dụng động cơ GDI.
Sinh viên thực hiện: Đỗ Ngọc Thương
Hướng dẫn: Nguyễn Quang Trung
2
Mơ phỏng q trình cháy của động cơ phun xăng trực tiếp sử dụng nhiên liệu xăng- ethanol
Động cơ GDI được chế tạo đảm bảo thân thiện với môi trường bằng cách giải quyết
vấn đề thường kèm với những động cơ trước đây như những giới hạn về công suất, giá
cả và thiết kế của nó. Cơng nghệ GDI giúp cải thiện 10-30% hiệu suất tiêu hao nhiên
liệu so với những động cơ phun xăng truyền thống.
Bên trong động cơ GDI, nhiên liệu được phun trực tiếp vào xilanh. Giúp loại trừ
những hạn chế trước đây trong việc kiểm soát sự cháy chẳng hạn như là không thể nạp
đủ nhiên liệu sau khi van hút đóng. Để điều khiển sự cháy một cách chính xác, GDI đảm
bảo phối hợp giữa tiết kiệm nhiên liệu và tăng công suất. Trong những động cơ xăng
truyền thống nhiên liệu và khơng khí được trộn bên ngồi xilanh. Điều này làm gây ra
hao phí nhiên liệu cùng với sự sai lệch thời điểm phun.
Hình 1.2. Buồng cháy động cơ phun xăng trực tiếp
Trong nhiều năm qua, những kĩ sư ln tìm cách kết hợp những ưu điểm của động
cơ xăng và Diesel để có thể cho ra đời một loại động cơ mới có thể đáp ứng được các
nhu cầu về khí thải, suất tiêu hao nhiên liệu, khả năng tăng tốc, tiếng ồn,…
Nhờ vào khả năng tạo hỗn hợp bên trong buồng đốt nên ở động cơ GDI có thể kiểm
sốt được chính xác lượng nhiên liệu đưa vào buồng đốt trong mỗi chu trình hoạt động
của động cơ, khắc phục được nhược điểm phun trên đường ống nạp nhiên liệu bị bám
vào thành ống.
Việc phun nhiên liệu trực tiếp và kết cấu của buồng đốt nên động cơ GDI có thể
hoạt động với tỉ lệ khơng khí trên nhiên liệu rất lỗng đảm bảo cho động cơ cháy sạch,
tiết kiệm nhiên liệu tối đa, giảm nồng độ khí thải ơ nhiễm.
Tỷ số nén của động cơ GDI được nâng cao hơn so với động cơ PFI nên công suất
của động cơ GDI lớn hơn 10% so với động cơ PFI cùng dung tích xilanh. Đồng thời kết
cấu của hệ thống tăng áp cho động cơ GDI thiết kế được hoàn thiện hơn do động cơ có
thể hoạt động với hỗn hợp cực nghèo. Tuy nhiên do nhiên liệu được phun vào buồng
Sinh viên thực hiện: Đỗ Ngọc Thương
Hướng dẫn: Nguyễn Quang Trung
3
Mơ phỏng q trình cháy của động cơ phun xăng trực tiếp sử dụng nhiên liệu xăng- ethanol
đốt nên áp suất phun phải lớn hơn rất nhiều so với kiểu phun PFI, kết cấu kim phun phải
đáp ứng được điều kiện khắc nghiệt của buồng cháy, hệ thống điều khiển phun nhiên
liệu phức tạp hơn do hỗn hợp tạo ra phức tạp hơn nên kết cấu buồng đốt cũng phức tạp
hơn do phải đảm bảo được điều kiện hỗn hợp có thể cháy được trong điều kiện cực
nghèo.
Hình 1.3. Sơ đồ kết cấu buồng đốt động cơ PFI và GDI
Để đốt cháy được xăng thì xăng và khơng khí phải được hịa trộn để hình thành ra
hỗn hợp nhiên liệu đúng và cùng với sự chính xác về thời điểm phun thì hỗn hợp nhiên
liệu sẽ được nén lại giữa các cực của bugi đúng thời điểm đánh lửa. Động cơ phun xăng
trực tiếp GDI đạt được công nghệ này giúp điều khiển chính xác hỗn hợp nhiên liệu.
Hình 1.4. Động cơ phun xăng trực tiếp Mazda Sky-G
Sinh viên thực hiện: Đỗ Ngọc Thương
Hướng dẫn: Nguyễn Quang Trung
4
Mơ phỏng q trình cháy của động cơ phun xăng trực tiếp sử dụng nhiên liệu xăng- ethanol
1.1.2. Các dạng buồng cháy của động cơ phun xăng trực tiếp
1.1.2.1. Các yêu cầu cơ bản của buồng cháy GDI
Hệ thống buồng cháy của động cơ GDI hoàn thiện phải đảm bảo được cả hai yếu tố:
-
Tạo hỗn hợp đồng nhất và phân lớp, giữa các lớp khơng có đường chuyển tiếp.
Tạo được một vùng hỗn hợp đậm (dễ cháy) xung quanh bougie và phải đúng
ngay thời điểm đánh lửa của động cơ.
Để thỏa mãn hai yêu cầu trên, người ta đưa ra một số dạng buồng đốt kết hợp với
việc đặt kim phun và bougie để nhiên liệu phun ra sẽ bốc hơi và hịa trộn nhanh chóng:
+ Dạng kim phun được đặt ngay giữa trung tâm, bougie được bố trí gần bên kim
phun.
+ Dạng bougie được đặt ngay trung tâm, kim phun được bố trí sao cho dịng nhiên
liệu khi phun vào giai đoạn đầu sẽ bốc hơi hỗn hợp đồng nhất, giai đoạn sau khi
piston lên gần điểm chết trên sẽ cuộn xoáy theo biên dạng của buồng cháy và tạo
hỗn hợp đậm xung quanh đỉnh bougie.
+ Dạng kim phun và bougie được bố trí trong phạm vi chỏm buồng đốt dựa vào
biên dạng này để tạo ra hỗn hợp đậm xung quanh đầu bougie.
1.1.2.2. Vị trí đặt kim phun và bougie
Mối quan hệ giữa vị trí kim phun và bougie trong buồng đốt động cơ GDI là hết
sức quan trọng để tạo nên tâm cháy trong kỳ cháy của động cơ. Đặt trưng quá trình nạp
của động cơ GDI ở tải nhỏ là tạo hỗn hợp nghèo và phân lớp, vì vậy cần phải bố trí kim
phun và bougie sao cho hướng dòng nhiên liệu vào đỉnh đầu bougie để tạo nên hỗn hợp
đậm khu vực xung quanh đỉnh bougie trong thời điểm đánh lửa.
Hình 1.5. Sơ đồ các vị trí khác nhau của kim phun
a- Kim phun đặt gần bougie; b- Kim phun đặt xa bougie
1- Bougie; 2- Kim phun
Sinh viên thực hiện: Đỗ Ngọc Thương
Hướng dẫn: Nguyễn Quang Trung
5
Mơ phỏng q trình cháy của động cơ phun xăng trực tiếp sử dụng nhiên liệu xăng- ethanol
1.1.2.3. Các phương pháp tạo hỗn hợp phân lớp trong buồng đốt động cơ GDI
Động cơ GDI tạo hỗn hợp phân lớp nghèo khi hoạt động ở mức tải nhỏ. Để tạo một
hỗn hợp phân lớp nghèo nhưng khu vực xung quanh bougie hỗn hợp đậm đặc để có thể
cháy được trong thời điểm đánh lửa, hệ thống buồng đốt động cơ GDI có thể thực hiện
theo 3 phương án sau:
-
Bố trí kim phun để hướng dòng nhiên liệu vào đỉnh bougie (Spray- Guide)
-
Hướng dịng nhiên liệu vào đỉnh bougie bằng hình dạng đỉnh piston (WallGuide)
-
Hướng dòng nhiên liệu vào đỉnh bougie bằng chuyển động của dịng khơng khí
nạp vào (Air- Guide)
Hình 1.6. Sơ đồ các dạng buồng đốt tạo hỗn hợp phân lớp
a- Spray Guide; b- Wall- Guide; c- Air- Guide
1- Kim phun; 2- Bougie
1.1.3. Hệ thống cung cấp nhiên liệu của động cơ phun xăng trực tiếp GDI
❖ Cấu tạo
Hệ thống nhiên liệu của động cơ GDI về cơ bản bao gồm: Bơm tiếp vận nhiên liệu,
bơm áp suất cao, hệ thống phân phối và ổn định áp suất (common rail), kim phun, hệ
thống điều khiển phun, các loại cảm biến và các thiết bị phụ khác như: thùng nhiên liệu,
lọc, van an toàn…
Ở động cơ GDI, nhiên liệu được phun trực tiếp vào buồng đốt ở kỳ nạp hoặc kỳ
nén. Để đưa được nhiên liệu vào buồng đốt động cơ trong kỳ nén, hệ thống nhiên liệu
phải đáp ứng được yêu cầu áp suất phun nhiên liệu của kim phun phải lớn hơn áp suất
Sinh viên thực hiện: Đỗ Ngọc Thương
Hướng dẫn: Nguyễn Quang Trung
6
Mơ phỏng q trình cháy của động cơ phun xăng trực tiếp sử dụng nhiên liệu xăng- ethanol
trong buồng đốt ở kỳ nén, đồng thời để nhiên liệu được phun tơi hịa trộn tốt với khơng
khí trong buồng đốt.
Hình 1.7. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ phun xăng trực tiếp của Bosch
1- Bình chứa than hoạt tính; 2- Van nạp lại; 3- Bơm cao áp; 4- Cảm biến trục cam; 5Bougie; 6- Thiết bị đo khối lượng không khí; 7- Thiết bị tiết lưu; 8- Cảm biến đa giác
nạp; 9- Cảm biến áp suất nhiên liệu; 10- Ống nhiên liệu cao áp; 11- Cảm biến pha trục
cam; 12- Cảm biến lambda ngược dòng của bộ chuyển đổi xúc tác ban đầu; 13- Van
tuần hồn khí thải; 14- Kim phun; 15- Cảm biến kích nổ; 16- Cảm biến nhiệt độ động
cơ; 17- Bộ chuyển đổi xúc tác ban đầu; 18- Cảm biến lambda ở xi dịng của bộ chuyển
đổi xúc tác ban đầu; 19- Cảm biến tốc độ; 20- ECU động cơ; 21- Giao diện CAN; 22Đèn báo lỗi; 23- Giao diện chẩn đoán; 24- Giao diện cố định với ECU; 25- Bộ tăng tốc
với bộ cảm biến bàn đạp; 26- Thùng nhiên liệu; 27- Bơm tiếp nhiên liệu; 28- Cảm biến
nhiệt độ khí xả; 29- Bộ chuyển đổi xúc tác chính; 30- Cảm biến lambda ở xi dịng của
bộ chuyển đổi xúc tác chính.
❖ Nguyên lý hoạt động
- Nhiên liệu được bơm cao áp chuyển đến dàn phân phối nhiên liệu (common rail,
ống này còn giữ vai trò tích năng), ở áp suất cao. Các đầu nối thủy lực kết nối nhiên liệu
trên dàn phân phối đến các kim phun áp suất cao điều khiển bằng cuộn từ (solenoid).
Đóng mạch điện điều khiển kim phun gồm có các tín hiệu: cảm biến áp suất nhiên liệu,
Sinh viên thực hiện: Đỗ Ngọc Thương
Hướng dẫn: Nguyễn Quang Trung
7
Mơ phỏng q trình cháy của động cơ phun xăng trực tiếp sử dụng nhiên liệu xăng- ethanol
van điều khiển áp suất và ECU (Electronic Control Unit). Việc điều khiển phun và điều
khiển áp suất của các kim phun được thực hiện riêng lẻ.
- Áp suất nhiên liệu được xác định bằng cảm biến áp suất cao và được điều áp
bằng van điều khiển áp suất (hoặc van điều khiển cung cấp nhiên liệu). Áp suất phun
ban đầu có thể điều chỉnh trong phạm vi giới hạn cho từng kim. Việc điều khiển kim
phun và đánh lửa được thực hiện riêng lẻ.
- Tỷ lệ khơng khí/nhiên liệu được điều khiển bằng một bộ cảm biến lambda xi
dịng của bộ chuyển đổi xúc tác ban đầu. Hệ thống chất xúc tác được chẩn đoán bằng
cảm biến lambda hai điểm và cảm biến nhiệt độ khí xả. Một thành phần khơng thể thiếu
là thiết bị tiết lưu điện tử để quản lý các chế độ hoạt động khác nhau của động cơ.
1.2. Tính chất của nhiên liệu xăng và ethanol
1.2.1. Tính chất của nhiên liệu xăng
1.2.1.1. Thành phần hóa học cơ bản và các phụ gia của xăng
❖ Hydrocacbon
Với khoảng nhiệt độ sôi dưới 180oC, phân đoạn xăng thu được từ quá trình chưng
cất bao gồm các hydrocacbon từ C5 C10, C11. Cả ba loại hydrocacbon prarafinic,
naphtenic, aromic đều có mặt trong phân đoạn này. Tuy nhiên thành phần và số lượng
của các hydrocacbon rất khác nhau, phụ thuộc vào nguồn gốc dầu thơ ban đầu. Các
hydrocacbon thơm thường có rất ít trong xăng.
Ankan: Cần có nhiều iso-ankan để chống kích nổ vì loại hydrocacbon này có tác
dụng chống kích nổ rất cao. Iso-ankan là chất đồng phân của ankan, có cấu tạo mạch
nhánh, rất khó bị gãy mạch, tức rất khó tự cháy. Người ta dùng 2,2,4 iso-octan làm một
trong hai thành phần của nhiên liệu chuẩn để đo tính chống kích nổ của các loại xăng.
Ankan tuy tính chất ổn định, khó biến chất nhưng khơng phải là thành phần lý tưởng
của nhiên liệu xăng, do các nguyên tử C được liên kết theo mạch thẳng nên các mạch C
dễ bị gãy, làm cho nó dễ bị cháy, dễ gây hiện tượng kích nổ trong động cơ.
CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH3 (n-octan)
Xyclo-ankan: là loại hydrocacbon no, thường có 5,6 nguyên tử C trong phân tử,
chúng được liên kết với nhau bằng các mạch thẳng đơn tạo nên một vòng kín.
Hydrocacbon thơm (aren): là loại hydrocacbon khơng no, các ngun tử nối với
nhau thành một vịng kín bằng những liên kết đôi và những liên kết đơn xen kẻ nhau,
Sinh viên thực hiện: Đỗ Ngọc Thương
Hướng dẫn: Nguyễn Quang Trung
8
Mơ phỏng q trình cháy của động cơ phun xăng trực tiếp sử dụng nhiên liệu xăng- ethanol
cấu tạo điển hình là chất benzen và metylbenzen. Kết cấu trên giúp cho hydrocacbon
thơm có tính ổn định cao, khó tự cháy và là thành phần lý tưởng của xăng dùng trong
động cơ đốt cháy cưỡng bức.
Ngoài ra các olefin, diolefin và axetylen là những hydrocacbon không no, các
nguyên tử C nối với nhau theo mạch thẳng, trong đó có một mạch kép, hai mạch kép
hoặc một mạch ba. Do đó khiến các chất này khó tự cháy, nên cũng thích hợp với động
cơ xăng đốt cháy cưỡng bức.
❖ Phụ gia
Để nâng cao chất lượng và tạo thêm một số tính năng mới cho xăng thì sau quá
trình chưng cất và chế biến sâu từ dầu mỏ, xăng được pha vào các loại phụ gia. Hai loại
phụ gia điển hình là nước chì và hợp chất chứa oxi.
Ngồi ra trong nhiên liệu xăng luôn tồn tại các tạp chất như các hợp chất của lưu
huỳnh, nitơ và hợp chất của các kim loại là những chất có mặt trong dầu mỏ mà khơng
thể loại bỏ hồn tồn trong q trình chế biến xăng.
1.2.1.2. Các chỉ tiêu đánh giá tính chất cơ bản của nhiên liệu xăng
❖ Nhiệt trị
Như các loại nhiên liệu khác thì nhiệt trị là tính chất quan trọng nhất của nhiên liệu
xăng, nó ảnh hưởng trực tiếp cơng suất của động cơ. Nhiệt trị có thể xác định trực tiếp
bằng phương pháp đo nhiệt trị, hoặc có thể tính gián tiếp bằng công thức Men-đê-lê-ép:
Qtk = 33,915 c + 126,0 h − 10,89 ( onl − s ) − 2,512 ( 9h + w ) , [MJ / kg ]
Trong đó:
(1.1)
2,512 [MJ/kg]: nhiệt ẩn của 1 kg nước;
c: thành phần khối lượng của C trong nhiên liệu;
onl: thành phần khối lượng của O trong nhiên liệu;
h: thành phần khối lượng của H trong nhiên liệu;
w: thành phần khối lượng của nước trong nhiên liệu;
s: thành phần khối lượng của lưu huỳnh trong nhiên liệu.
So với các loại nhiên liệu khác thì xăng là loại nhiên liệu có nhiệt trị lớn nhất:
Qtk = 44,0 [MJ/kg]
Sinh viên thực hiện: Đỗ Ngọc Thương
Hướng dẫn: Nguyễn Quang Trung
9
Mơ phỏng q trình cháy của động cơ phun xăng trực tiếp sử dụng nhiên liệu xăng- ethanol
❖ Tính bay hơi
u cầu xăng phải có tính bay hơi thích hợp, nếu xăng bay hơi quá dễ sẽ hoá hơi
ngay trên đường ống dẫn, gây hiện tượng nút hơi (nghẽn khí), làm xăng phun ra lẫn bọt,
không đảm bảo hơi xăng cung cấp cho động cơ nên động cơ hoạt động không ổn định.
Trong bảo quản, bơm hút, vận chuyển sẽ xảy ra hao hụt quá mức. Xăng bay hơi kém,
làm khó khởi động máy, khó điều chỉnh máy, gây lãng phí nhiên liệu do cháy khơng hết,
tạo muội than, làm lỗng dầu nhờn gây hiện tượng mài mịn động cơ nhiều hơn mức
bình thường.
Tính bay hơi của xăng được đánh giá thông qua các chỉ tiêu sau:
+ Thành phần điểm sôi: Chỉ tiêu này được xác định trong dụng cụ chưng cất đã
được tiêu chuẩn hóa. Đối với xăng cần xác định các thành phần điểm sôi như sau:
+ Khối lượng riêng (Density) là khối lượng của một đơn vị thể tích đo bằng g/cm3
hay kg/m3, là đặc tính vật lý quan trọng cho phép ta phân loại được xăng so với các loại
nhiên liệu khác và đánh giá sơ bộ chất lượng xăng.
+ Tỷ trọng (Relative Density) là tỷ số giữa khối lượng riêng của một chất ở nhiệt
độ nào đó so với khối lượng riêng của nước ở 40C, ký hiệu là dt/4 (trong đó t (0C) là nhiệt
độ xác định tỷ trọng). Thông thường dùng tỷ trong tiêu chuẩn ở 200C ký hiệu là d20/4
hoặc tỷ trọng tiêu chuẩn ở 150C ký hiệu là d15/4. Ở Anh, Mỹ và một số nước lại dùng tỷ
trọng ở 600F (tương ứng 15,60C), ký hiệu d60F/4. Có nhiều tiêu chuẩn để xác định tỷ
trọng. Để suy tỷ trọng từ các nhiệt độ khác nhau về tỷ trọng tiêu chuẩn có cơng thức tính
hoặc sử dụng bảng chuyển đổi:
d20 4 = dt 4 + ( t − 20)
(1.2)
Trong đó : t – Nhiệt độ bất kỳ.
– Hệ số điều chỉnh tỷ trọng.
❖ Tính chống kích nổ
Như vậy q trình cháy của hơi xăng trong buồng đốt của động cơ xăng là một
quá trình cháy cưỡng bức, thực hiện được là nhờ tia lửa điện của bougie. Quá trình cháy
như vậy diễn ra rất nhanh, nhưng không phải xảy ra tức khắc trong tồn bộ thể tích
xylanh, mà bắt đầu cháy từ bougie sau đó cháy lan dần ra tồn bộ thể tích xylanh, lúc
đó chu trình cháy kết thúc.
Sinh viên thực hiện: Đỗ Ngọc Thương
Hướng dẫn: Nguyễn Quang Trung
10
Mơ phỏng q trình cháy của động cơ phun xăng trực tiếp sử dụng nhiên liệu xăng- ethanol
Tốc độ lan truyền của mặt cầu lửa bình thường là 20 25 m/s. Với tốc độ lan truyền
của mặt cầu lửa như vậy, áp suất hơi trong xylanh tăng đều đặn, động cơ hoạt động bình
thường.
Vì một lý do khách quan nào đó như dùng xăng khơng đúng chất lượng u cầu
hoặc cấu tạo động cơ không được chuẩn xác hoặc điều kiện làm việc của động cơ khơng
thuận lợi (góc đánh lửa đặt sớm, thành phần hỗn hợp khí thay đổi, áp suất, nhiệt độ máy
cao…) sẽ tạo điều kiện cháy khơng bình thường trong động cơ. Khi đó sẽ xuất hiện cháy
kích nổ, tức là tại một điểm nào đó trong xylanh dù mặt cầu lửa chưa lan tới, hồ khí đã
bốc cháy đột ngột với tốc độ cháy lan truyền nhanh gấp trăm lần cháy bình thường. Tốc
độ cháy truyền lan khi kích nổ lên tới 1,500 2,500m/s. Áp suất trong xylanh vọt tăng
tới 160 kG/cm2. Chính sự tăng áp suất đột ngột đó tạo ra các sóng áp suất va đập vào
vách xylanh, phát tiếng kêu lách cách, máy nổ rung giật và nóng hơn bình thường rất
nhiều.
Cháy kích nổ trong động cơ phá vỡ chế độ làm việc bình thường, làm giảm cơng
suất máy, tiêu hao năng lượng do máy cháy khơng hết, mài mịn các chi tiết máy, thậm
chí gây nứt rạn piston, chốt piston, vòng găng (séc măng)…, tạo ra nhiều muội than làm
bẩn xylanh, piston làm bẩn máy… Để bảo đảm cho động cơ làm việc bình thường, tránh
được hiện tượng kích nổ, địi hỏi động cơ phải có cấu tạo và điều kiện sử dụng phù hợp.
Ngoài ra nhiên liệu cũng phải đạt được chất lượng theo đúng yêu cầu.
Trị số octan: Thực tế cho thấy hiện tượng cháy kích nổ của động cơ xăng có quan
hệ chặt chẽ với thành phần hoá học của xăng. TSOT là một đơn vị đo quy ước dùng để
đặc trưng cho tính chống kích nổ của nhiên liệu khi đốt cháy trong động cơ. TSOT của
một loại xăng càng cao càng khó bị kích nổ khi cháy trong động cơ, nghĩa là xăng đó có
tính chống kích nổ tốt. Ngược lại TSOT càng thấp càng dễ bị cháy kích nổ, loại xăng đó
có tính chống kích nổ kém.
❖ Nhiệt độ bén lửa
Nhiệt độ bén lửa là nhiệt độ thấp nhất để hịa khí bén lửa, nhiệt độ bén lửa phản
ánh thành phần chưng cất nhẹ của xăng, là chỉ tiêu để đánh giá tính an tồn của nhiên
liệu.
❖ Tính ổn định hóa học
Tính ổn định hoá học của xăng biểu thị ở khả năng xăng duy trì được chất lượng
ban đầu trong quá trình bơm hút, vận chuyển, tồn chứa, bảo quản,… Đánh giá tính chất
Sinh viên thực hiện: Đỗ Ngọc Thương
Hướng dẫn: Nguyễn Quang Trung
11
