Đánh giá ảnh hưởng của xoáy lốc và phun nhiên liệu nhiều lần đến công suất và khí thải động cơ diesel bằng phương pháp mô phỏng

Nội dung text: Đánh giá ảnh hưởng của xoáy lốc và phun nhiên liệu nhiều lần đến công suất và khí thải động cơ diesel bằng phương pháp mô phỏng

1. ĐÁNH GIÁ ẢNH H ƯỞNG C ỦA XOÁY L ỐC VÀ PHUN NHIÊN LI ỆU NHI ỀU LẦN ĐẾ N CÔNG SU ẤT VÀ KHÍ TH ẢI ĐỘ NG C Ơ DIESEL BẰNG PH ƯƠ NG PHÁP MÔ PH ỎNG KS. Nguy ễn Minh Thích 1, TS. Nguy ễn Lê Duy Kh ải2 1 Khoa C ơ Khí Động L ực, ĐH S ư ph ạm k ỹ thu ật Tp. HCM 2 Khoa K ỹ thu ật Giao thông, ĐH Bách khoa Tp.HCM Tóm t ắt Bài vi ết này nghiên c ứu ảnh h ưởng c ủa xoáy l ốc và phun nhiên li ệu nhi ều l ần đế n công su ất và ô nhi ễm khí th ải trên động c ơ Diesel phun tr ực ti ếp bằng ph ươ ng pháp mô ph ỏng. C ụ th ể, thông s ố “t ỷ l ệ xoáy l ốc” và thông s ố “số lần phun ” được thay đổ i để đánh giá s ự tác độ ng đến công su ất và phát th ải b ồ hóng c ũng nh ư NOx trong khí th ải độ ng c ơ Diesel phun tr ực ti ếp. I. Đặt v ấn đề Nh ư chúng ta đã bi ết, quá trình xoáy 2007), ảnh h ưởng c ủa th ời điểm phun và lốc và phun nhiên li ệu trên động c ơ Diesel tu ần hoàn khí x ả (Miyamoto và nhóm tác gi ả đóng vai trò quan tr ọng trong vi ệc phát th ải 1999) ho ặc nghiên c ứu ảnh h ưởng c ủa xoáy ra các ch ất gây ô nhi ễm và tác động l ớn đế n lốc dòng khí n ạp trên động c ơ Diesel phun su ất tiêu hao nhiên li ệu c ũng nh ư công su ất tr ực ti ếp c ũng nh ằm m ục đích gi ảm ô của độ ng c ơ. Tùy thu ộc vào t ỷ l ệ xoáy l ốc, nhi ễm khí x ả và nâng cao công su ất độ ng ph ươ ng th ức và th ời điểm mà nhiên li ệu cơ. H ệ th ống nhiên li ệu “Common Rail” ra phun vào bu ồng đố t có th ể làm cho ô nhi ễm đời để t ối ưu hóa quá trình phun nhiên li ệu trong khí x ả và tiêu hao nhiên li ệu khác với áp su ất phun t ạo ra cao s ẽ làm cho n ồng nhau. Có r ất nhi ều công trình nghiên c ứu v ề độ b ồ hóng gi ảm vì điều này giúp c ải thi ện quá trình xoáy l ốc và phun nhiên li ệu trên cho quá trình phân rã h ạt nhân, bay h ơi và động c ơ Diesel ngày nay để gi ảm thi ểu đáng hòa tr ộn v ới không khí c ủa tia nhiên li ệu kể các ch ất độ c h ại trong khí x ả. Mehta và (Flaig và nhóm tác gi ả, 1999). Tuy nhiên, Tamma (1998), Fuchs và Rutland (1998) kết nh ư đã trình bày ở trên, áp su ất phun t ăng l ại lu ận r ằng tăng xoáy lốc ch ỉ mang l ại l ợi ích làm cho n ồng độ NOx t ăng theo, nguyên một m ức độ nh ất định. Fuchs và Rutland sử nhân do nhi ệt độ cháy cao và các vùng dụng Kiva-II và Kiva-3 ch ỉ ra r ằng t ỷ l ệ không khí giàu ôxi xung quanh điểm l ửa gây xoáy l ốc quá cao có th ể ảnh h ưởng x ấu đế n ra (Gunabalan và nhóm tác gi ả, 2010). Vi ệc hòa tr ộn, khi xoáy l ốc t ăng mu ội than có th ể kết h ợp c ủa h ệ th ống tu ần hoàn khí x ả gi ảm trong khi NO t ăng.Weaver và nhóm (EGR) và hi ệu ch ỉnh góc phun s ớm trên tác gi ả đã ch ỉ ra r ằng khi gi ảm góc phun động c ơ Diesel có th ể gi ảm được NOx sớm s ẽ làm cho l ượng NOx trong khí x ả nh ưng l ại làm t ăng l ượng b ồ hóng phát th ải gi ảm. Nh ưng v ấn đề x ảy ra khi n ồng độ (Han và nhóm tác gi ả, 1996). Ho ặc k ết h ợp NOx gi ảm thì l ượng b ồ hóng l ại t ăng gi ữa k ỹ thu ật phun tách và EGR (Mingfa và (Weaver và nhóm tác gi ả,1994). Điều này nhóm tác gi ả, 2009) hay k ết h ợp ưu điểm cũng đã được ch ứng minh qua r ất nhi ều của h ệ th ống “Common rail” v ới EGR công trình nghiên c ứu khác, ch ẳng h ạn nh ư (Millo và nhóm tác gi ả, 2009) có th ể c ải nghiên c ứu v ề tác độ ng c ủa áp su ất phun k ết thi ện công su ất độ ng c ơ và gi ảm ô nhi ễm hợp phun tách (Okude và nhóm tác gi ả, nh ưng NOx và b ồ hóng luôn luôn có s ự xu ất 1
2. Lỗ vòi phun hi ện trái ng ược nhau trong khí x ả độ ng c ơ Lõi tia Rìa tr ước c ủa tia Diesel. Trong bài báo này chúng tôi “Đánh giá ảnh h ưởng của xoáy l ốc và phun nhiên li ệu nhi ều l ần đế n công su ất và khí th ải c ủa động c ơ diesel b ằng ph ươ ng pháp mô ph ỏng” Dòng khí Rìa sau c ủa tia xoáy l ốc II. Cơ s ở lý thuy ết 2.1. Gi ới thi ệu v ề phun nhiên li ệu trong động c ơ diesel Phun nhiên li ệu nhi ều l ần là quá trình Hình 2. S ơ đồ tia nhiên li ệu phun h ướng phun nhiên li ệu được phun hai l ần ho ặc kính vào bu ồng cháy xoáy l ốc nhi ều h ơn, nó khác v ới quá trình phun truy ền th ống tr ước kia . 2.3.Cấu trúc KIVA-3V Cấu trúc của KIVA – 3V gồm 3 ph ần chính Iprep.txt (t ệp tin đầ u v ào) Pre -processor k3prep otape17.txt (thông s ố l ưới) otape11.txt (thông tin chung) Hình 1. Quá trình phun nhiên li ệu nhi ều lần trong độ ng c ơ Diesel itape5.txt (thông s ố ho ạt độ ng c ủa độ ng c ơ) Main -processor kiva3v itapeerc.txt (h ằng s ố c ủa mô hình ERC) itape18 (d ữ li ệu độ nâng xú páp) Hình 1 mô t ả quá trình phun nhiêu li ệu *.txt (t ệp tin đầ u ra ch ứa d ữ li ệu các ch ất trong xy lanh) *.dat (t ệp tin đầ u ra ch ứa thông tin tr ạng thái các ch ất trong xy lanh t ại các góc nhi ều l ần trong độ ng c ơ diesel tr ường h ợp quay tr ục khu ỷu đị nh tr ước) phun 50-3-50, nhiên li ệu được phun trong otape12.txt (thông tin chung) lần đầ u là 50% t ổng s ố nhiên li ệu và 50% được phun cho l ần ti ếp theo , với kho ảng th ời Post -processor o gian ngh ỉ gi ữa hai l ần phun là 3 góc quay Tecplot Origin (or excel) tr ục khu ỷu 2.2. Gi ới thi ệu v ề xoáy l ốc Bi ểu đồ , h ình ảnh 3 chi ều Bi ểu đồ - Đồ th ị Chuy ển độ ng xoáy l ốc c ủa dòng khí Hình 3. C ấu trúc KIVA-3V trên động c ơ diesel được được t ạo ra thông 2.4. Mô hình hình thành b ồ hóng qua thi ết k ế c ổng n ạp t ạo ra xoáy l ốc. Sự hình thành c ủa b ồ hóng được gi ải Thay đổi t ỷ l ệ xoáy l ốc s ẽ làm thay đổi thích thông qua chu ỗi quá trình được đề quá trình b ốc h ơi c ủa nhiên li ệu và quá trình xu ất b ởi Kazakov và Foster (1998). Bi ểu hòa tr ộn nhiên li ệu và không khí. S ự xoáy đồ c ủa mô hình b ồ hóng “8 b ước” c ủa lốc c ũng ảnh h ưởng đế n truy ền nhi ệt cho Foster nêu ra trong hình 4. thành bu ồng cháy và vì v ậy gây ảnh h ưởng Dưới điều ki ện nhi ệt độ cao trong đến nhi ệt độ môi ch ất lúc b ắt đầ u phun. su ốt quá trình cháy, các h ạt c ơ s ở và Tỷ l ệ xoáy l ốc được đị nh ngh ĩa là v ận Acetylen C 2H2 được t ạo ra t ừ nhi ệt phân tốc góc c ủa lu ồng khí n ạp/v ận t ốc góc c ủa nhiên li ệu. Cơ s ở tính toán c ủa mô hình tr ục khu ỷu. dựa trên gi ả thuy ết các h ạt c ơ s ở, g ọi t ắt là 2
3. PR, được t ạo b ởi C 50 và nhiên li ệu đặ c C2H2 + O ⇒ 2CO + H 2 tr ưng là n-tetradecan, C 14 H30 , ngh ĩa là có Csoot + O 2 ⇒ Csoot – 2 + 2CO cùng t ỉ l ệ Cacbon/Hydrô v ới nhiên li ệu Các t ốc độ ph ản ứng được li ệt kê Diesel (N.L.D.Khai và nhóm tác gi ả, trong b ảng 1 2009) Bảng 1. Các t ốc độ ph ản ứng s ử d ụng trong mô hình b ồ hóng “8 b ước” của Foster Nhiên liệu Nhi ệt phân Hạt s ơ s ở Acetylen, C 2H2 Bước Giá tr ị Hình thành Hình thành b ề Hình thành  120  mặt r = 7.0 x10 12 ∗exp − Y hạt c ơ s ở 1  RT  F Nguyên t ử b ồ hóng Hình thành  49  r = 9.0 x10 8 ∗ exp − Y Acetylen 2  RT  F Nguyên t ử b ồ hóng l ớn h ơn Nguyên t ử Y − Y r = PR SAT bồ hóng 3 ∆t Ôxi hóa Phát tri ển kích  12  1 r = 2.4 x10 4 ∗ exp − Y S 2 th ước v ới C 2H2 4 F Bồ hóng sau khi b ị Ôxi hóa  RT  Phát tri ển kích Hình 4. S ơ đồ hình thành b ồ hóng “8 r = 5.0 βN 2 th ước b ằng tích 5 bước” c ủa Foster tụ Các ph ươ ng trình c ơ b ản c ủa mô Ôxi hóa  40  ρY hình bao g ồm: r Kin = 0.1 x10 12 ∗exp − xY O2 hạt c ơ s ở 6 PR C14 H30 ⇒ 0.28PR + 15H 2  RT  MW O2 ⇒ C14 H30 7C 2H2 + 8H 2 Ôxi hóa   ρY Kin = 13 ∗ − 50 O2 Một nguyên t ử h ạt c ơ s ở chuy ển r7 0.6 x10 exp  xY C H Acetylen  RT  2 2 MW thành h ạt b ồ hóng d ựa trên ph ươ ng trình O2 sau: Ôxi hóa  k P πd 2 N r Kin =12  A O2 x + k P ()1− x  8  + a B O2 a  ρ PR ⇒ 50C soot bồ hóng 1 kZ PO2  Acetylen thêm phân t ử Cacbon vào bề m ặt c ủa nguyên t ử b ồ hóng để t ạo nên nguyên t ử m ới có kích th ước l ớn h ơn. Và Tốc độ thay đổ i ph ần t ử kh ối l ượng nguyên t ử b ồ hóng m ới này c ũng t ự k ết của các h ạt được tính toán m ột cách đồ ng hợp để ti ếp t ục phát tri ển v ề kích th ước. th ời, ⇒ Csoot + C 2H2 C soot+2 + H 2 dY F = − − nC soot ⇒ Csoot r1 r2 (1) Do nhi ệt độ cao và s ự có m ặt c ủa dt dY MW MW MW Ôxi trong su ốt quá trình cháy nên các h ạt O2 − O2 r − O2 r − 02 r (2) dt MW 6 MW 7 MW 8 cơ s ở, Acetylen, nguyên t ử b ồ hóng b ị Ôxi PR C2H 2 soot hóa. B ồ hóng phát th ải là k ết qu ả c ủa s ự dY MW MW MW MW (3) H 2 = 15 H 2 r + 8 H 2 r + H 2 r + H 2 r dt MW 1 MW 2 MW 4 MW 7 kết h ợp gi ữa l ượng b ồ hóng hình thành và F F C2H 2 C2H 2 dY MW MW MW lượng b ồ hóng b ị Ôxi hóa trong bu ồng đố t. CO = CO + CO + CO (4) 2 r6 2 r7 2 r8 ⇒ dt MW PR MW C H MW soot PR + O 2 2CO + PR -2c 2 2 3
4. dY C H MW Bảng 2. Thông s ố độ ng c ơ 1 xy lanh AVL 2 2 = C2H 2 − − 7 r2 r4 r7 (5) dt MW F dY MW PR = 0.28 PR r − r − r (6) dt MW 1 3 6 Thông s ố Giá tr ị F dY MW MW Số xy lanh 1 soot = 50 soot r + 2 soot r − r (7) dt MW 3 MW 4 8 PR C2H 2 Hành trình Piston 85 mm   3 d N  Dung tích 510.7 cm  N A  r r = 50 ρ 3 − 5 (8) Tỉ s ố nén 17.3 : 1 dt MW N PR A Trong các ph ươ ng trình t ừ (1) đế n (8), PR: Nhiên li ệu Diesel hạt c ơ s ở; C 50 : Cacbon 50 nguyên t ử; MW *: Hệ th ống nhiên Common Rail phun tr ực kh ối l ượng phân t ử *; li ệu ti ếp III. Quá trình t ạo l ưới Công su ất c ực đạ i 18/4200 kW/rpm 3.1. Động c ơ mô ph ỏng và quá trình tạo mô hình l ưới độ ng c ơ Số l ượng xú páp 2 n ạp, 1 th ải Tính toán được th ực hi ện v ới m ột Ki ểu xy lanh Ướt kh ối cấu trúc lưới là động c ơ diesel AVL 5402 m ột xy lanh, phun tr ực ti ếp với m ột Hệ th ống ph ối khí DOHC kim phun có 5 lỗ phun. Thông s ố độ ng c ơ Th ời điểm ph ối khí nh ư b ảng 2. Th ời điểm xú páp 8degBTDC_k ỳ x ả nạp m ở Th ời điểm xú páp 134degBTDC_k ỳ nén nạp đóng Th ời điểm xú páp 128degATDC_k ỳ nén xả m ở Th ời điểm xú páp 18degATDC_k ỳ x ả xả đóng Kim phun Hình 5. Động c ơ diesel AVL 5402 Ki ểu kim phun Bosch CP1 1350Bar 0 Tạo l ưới: Số l ỗ tia x đường 5 x 0.17mm x 142 kính x góc phun Lưu l ượng 375ml/30s Độ nâng kim 0.2mm Kết qu ả ta thu được m ột mô hình lưới c ủa độ ng c ơ AVL nh ư hình 5 với góc mô ph ỏng 72 0. Mô hình l ưới bao g ồm 37 vùng theo ph ươ ng h ướng kính, 36 vùng theo ph ươ ng ti ếp tuy ến và 31 vùng theo ph ươ ng 4
5. hướng tr ục, và được t ạo b ởi 44975 ô khi piston ở v ị trí điểm ch ết d ưới. Bảng 4. Thông s ố quá trình mô ph ỏng Thông s ố quá trình mô ph ỏng Giá tr ị Thông s ố hình h ọc mô ph ỏng 72.0 0 (thsect.) Tốc độ độ ng c ơ (rpm) 2000 vòng/phút Th ời điểm xú páp n ạp đóng (IVC) 134degBTDC _ k ỳ nén Th ời điểm xú páp x ả m ở (EVO) 128degATDC_k ỳ nén 0 Nhi ệt độ thành xy lanh (tcylwl) 400 K Hình 6. Mô hình l ưới bu ồng đố t piston Nhi ệt độ đỉ nh Piston (thead) 400 0K AVL v ới góc mô ph ỏng 72 0 Nhi ệt độ n ắp quy lát (tpistn) 400 0K 3.2. Thông s ố mô ph ỏng Ch ế độ phun 1 l ần, 25-3-75, 50-3-50, 75-3-25, 90-3-10 Quá trình mô ph ỏng được th ực hi ện 1,0; 1,5; 3,0; 5,0 để xét s ự ảnh h ưởng c ủa phun nhiên li ệu Ch ế độ xoáy l ốc nhi ều l ần và t ỷ l ệ xoáy l ốc tới công su ất và lượng khí th ải c ủa độ ng c ơ diesel ở ch ế độ Ch ế độ t ải (tspmas) 80% t ải tải 80%. Ta ch ọn s ố l ần phun 1 lần và 2 l ần với các các ch ế độ phun 2 l ần là 25-3-75, Lưu l ượng phun 375ml/30s 50-3-50, 75-3-25, 90-3-10, các ch ế độ xoáy o Nhiên li ệu b ắt đầ u phun (deg 16 lốc 1,0; 1,5; 3,0; 5,0. BTDC) Nhiên li ệu (công th ức hóa h ọc) C H (n-tetradecan) Bảng 3. Tr ường h ợp mô ph ỏng 14 30 Góc phun (tia nhiên li ệu) 142 0 Tr ường h ợp Lần Tỷ l ệ xoáy l ốc VI. Ảnh h ưởng c ủa quá trình phun nhiên phun li ệu nhi ều l ần đế n công su ất và khí th ải động c ơ diesel. 1 Phun 1 l ần 1,0 4.1. Thông s ố thay đổ i 2 25-3-75 1,0 Mô ph ỏng được th ực hi ện để xét s ự ảnh h ưởng c ủa phun nhiên li ệu nhi ều l ần 4 50-3-50 1,0 đến công su ất và ô nhi ễm môi tr ường trên 5 75-3-25 1,0 động c ơ Diesel. Trong ph ần này, quá trình mô ph ỏng th ực hi ện trong các tr ường h ợp 6 90-3-10 1,0 phun khác nhau: phun 1 l ần, 25-3-75, 50-3- 7 Phun 1 l ần 1,5 50,75-3-25, 90-3-10 với t ỷ l ệ xoáy l ốc 1,0 . 8 Phun 1 l ần 3,0 9 Phun 1 l ần 5,0 5
6. Hình 9. Mối quan h ệ gi ữa áp su ất trung bình và góc quay tr ục khu ỷu t ại các tr ường h ợp Hình 7. M ối quan h ệ gi ữa công su ất độ ng c ơ phun khác nhau với các tr ường h ợp phun khác nhau Hình 8. M ối quan h ệ gi ữa, l ượng tiêu hao Hình 10. Đồ th ị nhi ệt độ trung bình trong xy nhiên li ệu v ới các tr ường h ợp phun khác lanh t ại các tr ường h ợp phun khác nhau nhau Qua mô ph ỏng, chúng ta có th ể nghiên Bảng 5. Công su ất và su ất tiêu hao nhiên cứu tác độ ng c ủa quá trình phun đến công li ệu ứng v ới các tr ường h ợp phun su ất và ô nhi ễm môi tr ường trên động c ơ nghiên c ứu nói riêng và động c ơ Diesel nói Su ất tiêu hao chung t ại giá tr ị t ốc độ độ ng c ơ là Tr ường Công su ất Lần ∆P% nhiên li ệu ge ∆ge% 2000vòng/phút. Đồ th ị áp su ất trung bình và hợp phun P(kW) (g/kW.h) nhi ệt độ trong xy lanh t ại các góc quay tr ục 1 Phun 1 l ần 8,03 0 192,06 0 khu ỷu theo các tr ường h ợp phun khác nhau 2 25-3-75 8,13 1,23 189,72 -1,22 được th ể hi ện trên hình 9 và hình 10 . Từ 2 3 50-3-50 7,93 -1,18 194,36 1,2 đồ th ị trên cho chúng ta th ấy r ằng khi thay 4 75-3-25 8,06 0,4 191,43 -0,33 đổi t ừ phun m ột l ần qua phun tách thì áp 5 90-3-10 8,21 2,21 187,90 -2,22 su ất cực đạ i c ũng nh ư nhi ệt độ c ực đạ i trong xy lanh trong các tr ường h ợp phun tách đề u 4.2. K ết qu ả và bình lu ận tăng lên t ươ ng ứng. C ụ th ể, khi phun 1 l ần áp su ất c ực đạ i đạ t 91,8bar (6,31 deg 4.2.1. Ảnh h ưởng c ủa phun nhiên li ệu ATDC) nhi ệt độ trung bình đạt c ực đạ i nhi ều l ần đế n áp su ất và nhi ệt độ trong xy 1830,8K (16,64 deg ATDC), tr ường h ợp lanh phun 25-3-75 áp su ất t ăng c ực đạ i lên 91,86 bar (6,8 deg ATDC) t ăng ,.0344% còn nhi ệt 6
7. độ trung bình c ực đạ i t ăng lên 1852,8 K (16 deg ATDC) t ăng 1,15%, tr ường h ợp phun 50-3-50 áp su ất t ăng c ực đạ i lên 96,9bar (5,54 deg ATDC) t ăng 5,6% còn nhi ệt độ trung bình c ực đạ i t ăng lên 1834,2K (14 deg ATDC) t ăng 0,18%, tr ường h ợp phun 75-3- 25 áp su ất c ực đạ i t ăng lên 100,4 bar (6,52 deg ATDC) t ăng 9,3% còn nhi ệt độ trung bình c ực đạ i t ăng lên 1915,6K (12,14 deg ATDC) t ăng 4,63% tr ường h ợp phun 90-3- 10 áp su ất t ăng c ực đạ i lên 100,06 bar (6.42 Hình 13. Lượng b ồ hóng b ị oxi hóa t ươ ng deg ATDC) còn nhi ệt độ trung bình c ực đạ i ứng v ới tr ường h ợp phun tăng lên 1936,2K (13 deg ATDC ) t ăng 5,76%. Nh ư đã phân tích ở trên, khi phun tách c ụ th ể quá trình phun được chia làm hai lần phun, l ượng nhiên li ệu được chia làm hai và th ời gian ngh ỉ gi ữa hai l ần phun là 3 deg, nhiên li ệu được phun làm hai l ần làm cho quá trình hòa tr ộn gi ữa nhiên li ệu và không khí t ốt h ơn làm quá trình cháy di ễn ra mãnh li ệt h ơn kéo theo áp su ất và nhi ệt độ trong xy lanh t ăng cao. (Zhu và nhóm tác gi ả, Hình 14. Lượng b ồ hóng phát th ải ứng 2003). với góc quay tr ục khu ỷu t ại các tr ường hợp phun khác nhau Hình 11. Phân b ố nhi ệt độ trong xy lanh t ại các tr ường h ợp phun t ại 7deg BTDC 4.2.2. Ảnh h ưởng c ủa phun nhiên li ệu nhi ều l ần đế n hình thành b ồ hóng Hình 15. Lượng b ồ hóng phát th ải t ươ ng ứng v ới các tr ường h ợp phun Từ hình 12, hình 13, hình 14 cho th ấy l ượng b ồ hóng hình thành, l ượng b ồ hóng b ị oxi hóa và l ượng b ồ hóng phát th ải t ươ ng ứng v ới các tr ường h ợp phun khác nhau. T ừ hình 15 ta th ấy r ằng l ượng bồ hóng phát th ải khi chuy ển qua phun tách gi ảm nh ư đã phân tích ở trên tr ường hợp phun tách 90-3-10 so v ới tr ường h ợp Hình 12. Lượng b ồ hóng hình thành t ươ ng phun 1 l ần l ượng b ồ hóng gi ảm 59,5% t ừ ứng v ới tr ường h ợp phun 1,67803E-5 (g) xu ống 6,79165E-6 (g). 7
8. Tuy nhiên, quan sát trên đồ th ị thì ta th ấy 5,18% so v ới phun 1 l ần l ượng NOx tại tr ường h ợp phun tách 50-3-50 n ồng độ 0,001312 (g). Khi chuy ển qua các tr ường bồ hóng l ại cao h ơn tr ường h ợp phun tách hợp phun tách khác 50-3-50, 75-3-25, 90- 25-3-75 quan sát trên hình 4.5 ta th ấy r ằng 3-10 NOx t ăng lên t ươ ng ứng so v ới tại 13 deg ATDC t ốc độ cháy ở tr ường tr ường h ợp phun 1 l ần nh ư sau: 0,0015(g) hợp phun tách 50-3-50 gi ảm độ t ng ột lúc tăng 14,33%, 0,00166(g) t ăng 26,52%; này quá trình cháy h ầu nh ư k ết thúc trong 0,00168(g) t ăng 28,05%. Hình 17 và hình khi đó t ại 13 deg ATDC nhi ệt độ trung 18 ta th ấy nguyên nhân làm cho NOx gi ảm bình trong xy lanh trong tr ường h ợp phun từ phun 1 l ần sang phun tách 25-3-75 do tách v ẫn t ăng lên và đạt c ưc đại 1852,8 K nhi ệt độ c ực đạ i gi ảm t ừ 2983,45 (K) (16 deg ATDC). Đây chính là nguyên (5deg ATDC) xu ống 2924 (K) (6 deg nhân làm cho n ồng độ b ồ hóng ở tr ường ATDC). Chuy ển sang các tr ường h ợp hợp phun tách 50-3-50 cao h ơn tr ường h ợp phun 50-3-50, 75-3-25, 90-3-10 nhi ệt độ phun tách 25-3-75. Ở tr ường h ợp phun cực đạ i trong xy lanh t ăng cao d ẫn đế n tách quá trình hòa tr ộn gi ữa không khí và NOx hình thành nhi ều h ơn. nhiên li ệu di ễn ra t ốt h ơn làm cho quá trình cháy di ễn ra m ạnh m ẽ h ơn kéo theo nhi ệt độ quá trình cháy tăng cao nên ph ản ứng oxi hóa b ồ hóng t ăng theo (Gunabalan và nhóm tác gi ả, 2010). Nh ư v ậy v ới tr ường h ợp phun tách 25-3-75, 50-3-50, 75-3-25, 90-3-10 n ồng độ b ồ hóng phát th ải gi ảm 15,4%; 2,2%; 29,3%; 59,5% so v ới tr ường h ợp phun 1 lần trên động c ơ mô phỏng AVL 4.2.3. Ảnh h ưởng c ủa phun nhiên li ệu nhi ều l ần đế n hình thành NO X Hình 17. Đồ th ị nhi ệt độ c ực đạ i trong xy lanh theo góc quay tr ục khu ỷu Hình 18. Phân b ố nhi ệt độ l ớn nh ất trong xy lanh t ươ ng ứng tr ường h ợp phun phun 1 l ần (v ị trí tr ục khu ỷu t ại Hình 16. Lượng NOx phát th ải t ươ ng 5degATDC);25-3-75 (v ị trí tr ục khu ỷu ứng v ới góc quay tr ục khu ỷu tại 6degATDC); 50-3-50 (v ị trí tr ục Trên hình 16 là đồ th ị kh ối l ượng khu ỷu t ại 6degATDC; 75-3-25(v ị trí tr ục NOx trong xy lanh theo góc quay tr ục khu ỷu t ại 3degATDC) và 90-3-10 (v ị trí khu ỷu. Ta th ấy trên đồ th ị chia làm hai tr ục khu ỷu t ại 4deg ATDC). giai đoạn đầ u tiên NOx gi ảm sau đó t ăng lên c ụ th ể khi chuy ển t ừ phun 1 l ần qua phun tách ta th ấy NOx gi ảm, khi phun tách 25-3-75 l ượng NOx 0,001244 (g) gi ảm 8
9. Hình 20 và hình 21 là đồ th ị đặ c tính công su ất độ ng c ơ và su ất tiêu hao nhiên li ệu khi thay đổi t ỷ l ệ xoáy l ốc. Theo đồ th ị, khi tăng giá tr ị t ỷ l ệ xoáy l ốc thì công su ất độ ng cơ và l ượng tiêu hao nhiên li ệu thay đổ i tươ ng ứng trên đồ th ị. Sự ảnh h ưởng của t ỷ l ệ xoáy l ốc đế n từng thông s ố c ủa độ ng c ơ s ẽ được xem xét cụ th ể h ơn ở nh ững ph ần sau. Bảng 6. Công su ất và su ất tiêu hao nhiên li ệu ứng v ới các t ỷ l ệ xoáy l ốc Hình 19. Lượng NOx phát th ải t ươ ng ứng v ới các tr ường h ợp phun khác nhau Nh ư v ậy v ới tr ường h ợp phun tách Su ất tiêu 25-3-75 n ồng độ NOx gi ảm 5,18% , v ới Tỷ l ệ Công tr ường h ợp phun tách 50-3-50, 75-3-25, hao nhiên ∆ge 90-3-10 n ồng độ NOx t ăng 14.33%, Lần xoáy su ất ∆P% li ệu ge % 26,52%; 28,05% v ới tr ường h ợp phun 1 lốc P(kW) lần trên động c ơ mô phỏng AVL (g/kW.h) V. Ảnh h ưởng c ủa xoáy l ốc t ới công su ất 0 và ô nhi ễm môi tr ường 1 1,0 8,03 0 192,06 5.1. Thông s ố thay đổ i -1,04 2 1,5 8,1 0,87 190 -2,08 3 3,0 8,2 2,12 188 14,0 4 5,0 7,66 -4,6 219 6 5.2. K ết qu ả và bình lu ận 5.2.1. Ảnh h ưởng c ủa xoáy l ốc đế n áp su ất và nhi ệt độ trong xy lanh Hình 20. Mối quan h ệ gi ữa công su ất động c ơ v ới t ỷ l ệ xoáy l ốc Hình 22. Mối quan h ệ gi ữa áp su ất trung Hình 21. Mối quan h ệ gi ữa su ất tiêu bình và góc quay tr ục khu ỷu t ươ ng ứng v ới hao nhiên li ệu độ ng c ơ v ới t ỷ l ệ xoáy tỷ l ệ xoáy l ốc khác nhau lốc 9
10. Hình 23. Đồ th ị nhi ệt độ trung bình trong xy Hình 25. Phân b ố oxi trong xy lanh t ại v ị trí lanh v ới góc quay tr ục khu ỷu ứng v ới t ỷ l ệ 10 deg ATDC ứng v ới t ỷ l ệ xoáy l ốc khác xoáy l ốc khác nhau nhau Khi t ăng t ỷ l ệ xoáy l ốc lên , vận t ốc 5.2.2. Ảnh h ưởng c ủa xoáy l ốc đế n hình góc tr ục khu ỷu không thay đổ i, điều đó có thành b ồ hóng ngh ĩa là v ận t ốc lu ồng khí n ạp t ăng lên (lu ồng khí n ạp xoáy nhi ều) lúc đó t ăng m ức hòa tr ộn h ỗn h ợp không khí v ới nhiên li ệu phun vào bu ồng đố t. Tuy nhiên n ếu t ỷ l ệ xoáy l ốc l ớn quá làm gi ảm hi ệu qu ả vi ệc hòa tr ộn h ỗn h ợp không khí và nhiên li ệu. Qua hình 22 và 23 ta th ấy phân b ố nhiên li ệu và oxi t ại 10 deg ATDC ứng v ới t ỷ l ệ xoáy l ốc khác nhau, ta th ấy khi t ăng t ỷ l ệ xoáy l ốc thì lượng nhiên li ệu trong xy lanh được xé t ơi hơn, tuy nhiên khi t ỷ l ệ xoáy l ốc cao thì lượng nhiên li ệu t ập trung không đề u (theo hình 22) điều đó d ẫn đế n gi ảm quá trình Hình 26. L ượng b ồ hóng hình thành cháy trong bu ồng đố t, t ỷ l ệ xoáy l ốc t ăng ứng v ới góc quay tr ục khu ỷu làm l ượng oxi trong xy lanh t ăng lên theo hình 23. Hình 27. L ượng b ồ hóng b ị Ôxi hóa ứng với góc quay tr ục khu ỷu Hình 24. S ự phân b ố nhiên li ệu trong xy lanh ứng v ới t ỷ l ệ xoáy l ốc khác nhau t ại 10 deg ATDC 10
11. Nh ư v ậy v ới t ỷ l ệ xoáy l ốc t ăng lên thì n ồng độ b ồ hóng phát th ải gi ảm, c ụ th ể tỷ l ệ xoáy l ốc 1,5; 3,0; 5,0 l ượng b ồ hóng phát th ải t ươ ng ứng 1,03226E-5 (g) gi ảm 38%, 3,64157E-6, (g) gi ảm 78,1%, 1,18015E-5 (g) gi ảm 29,2% so v ới tr ường hợp t ỷ l ệ xoáy l ốc 1,0 l ượng b ồ hóng phát th ải 1,66578E-5 (g). 5.2.3. Ảnh h ưởng c ủa xoáy l ốc đế n hình Hình 28. L ượng b ồ hóng phát th ải ứng thành NOx với góc quay tr ục khu ỷu Hình 28 th ể hi ện m ối quan h ệ gi ữa nồng độ b ồ hóng phát th ải và góc quay tr ục khu ỷu. Quan sát trên hình ta th ấy khi tăng t ỷ l ệ xoáy l ốc thì n ồng độ b ồ hóng phát th ải gi ảm. C ụ th ể, khi t ăng t ỷ l ệ xoáy lốc t ừ 1,0 lên 5,0 thì l ượng b ồ hóng phát th ải gi ảm t ừ 1,66578E-5 (g) xu ống 1,18015E-5 gi ảm 29,2 % (g). Khi t ăng t ỷ lệ xoáy l ốc t ừ 1,0 lên 5,0 l ượng b ồ hóng tăng, gi ảm so v ới tr ường h ợp t ỷ l ệ xoáy lốc 1,0 nh ư sau: Khi t ăng t ỷ l ệ xoáy l ốc t ừ Hình 30. Kh ối l ượng NOx hình thành 1,0 lên 1,5 n ồng độ b ồ hóng gi ảm xu ống trong bu ồng đố t 1,03226E-5 gi ảm 38 % và khi t ỷ l ệ xoáy lốc t ăng lên 3,0 thì n ồng độ b ồ hóng gi ảm nhi ều nh ất 3,64157E-6 (g) gi ảm 78,1%. Khi t ăng t ỷ l ệ xoáy l ốc ngh ĩa là dòng khí di vào xy lanh xoáy nhi ều v ận t ốc dòng khí l ớn làm cho nhiên li ệu được xé t ơi hòa tr ộn v ới không khí t ốt h ơn, n ồng độ oxi trong xy lanh c ũng t ăng cao h ơn (hình 26 và 27) điều đó làm cho quá trình oxi hóa bồ hóng di ễn ra m ạnh m ẽ h ơn làm cho nồng độ b ồ hóng phát th ải giảm. Hình 31. Đồ th ị nhi ệt độ c ực đạ i trong xy lanh theo góc quay tr ục khu ỷu Hình 29. L ượng b ồ hóng phát th ải ứng với t ỷ l ệ xoáy l ốc khác nhau 11
12. VI. K ết lu ận Quá trình phun nhiên li ệu và quá trình xoáy l ốc trên động c ơ Diesel và động c ơ nghiên c ứu AVL nói riêng được nghiên c ứu b ằng mô ph ỏng t ại ch ế độ ho ạt động 80% t ải và t ốc độ độ ng c ơ là 2000 vòng/phút. Thông s ố “quá trình phun c ụ th ể là s ố l ần phun” và thông s ố “t ỷ l ệ xoáy Hình 32. Phân b ố nhi ệt độ l ớn nh ất lốc” được thay đổ i để đánh giá tác độ ng trong xy lanh t ươ ng ứng t ỷ l ệ xoáy l ốc đến công su ất và khí th ải c ủa độ ng c ơ 1,0 (v ị trí tr ục khu ỷu t ại 5degATDC);1,5 Diesel phun tr ực ti ếp. T ừ các k ết qu ả phân (v ị trí tr ục khu ỷu t ại 4degATDC);3,0 (v ị tích ở ph ần IV và V rút ra được m ột s ố k ết trí tr ục khu ỷu t ại 15degATDC và5,0(v ị lu ận sau: trí tr ục khu ỷu t ại 9degATDC) 1. Khi chuy ển qua phun tách (phun 2 Theo hình 31 và hình 32 ta th ấy lần) áp su ất và nhi ệt độ c ực đạ i trong rằng trong các tr ường h ợp t ỷ l ệ xoáy l ốc xy lanh đều t ăng. 3,0 có l ượng NOx cao nh ất b ởi vì nhi ệt độ 2. Lượng nhiên li ệu phun th ứ nh ất l ớn cực đạ i c ủa tr ường h ợp này 2943(K) (14 nh ất thì công su ất độ ng c ơ đạt giá tr ị deg ATDC) ngh ĩa là quá cháy di ễn ra dài cực đạ i. hơn các tr ường h ợp còn l ại. 3. Khi chuy ển qua phun tách, n ồng độ Khi tỷ l ệ xoáy l ốc 1,0 nhi ệt độ c ưc NOx t ăng v ới tr ường h ợp l ượng đại đạ t 2982 (K) t ại 5 (deg ATDC), t ỷ l ệ nhiên li ệu phun l ần th ứ nh ất l ớn (50- xoáy l ốc 1,5 nhi ệt độ c ưc đại đạ t 2923 (K) 3-50, 75-3-25, 90-3-10) tr ường h ợp (4deg ATDC), t ỷ l ệ xoáy l ốc 5,0 nhi ệt độ phun nhiên li ệu l ần th ứ nh ất nh ỏ cưc đại đạ t 2862 (K) (9 deg ATDC). (nh ư tr ường h ợp phun nhiên liêu 25- 3-75 ) NOx gi ảm và b ồ hóng gi ảm xu ống. 4. Khi t ăng t ỷ l ệ xoáy l ốc thì nhi ệt độ và áp su ất c ực đạ i trong xy lanh gi ảm. 5. Ch ỉ có giá tr ị “t ỷ l ệ xoáy l ốc” thích hợp thì công su ất độ ng c ơ m ới đạ t giá tr ị c ực đạ i. 6. Khi t ăng t ỷ l ệ xoáy l ốc thì l ượng b ồ hóng phát th ải gi ảm và l ượng NOx Hình 33. Kh ối l ượng NOx ứng v ới các t ỷ trong khí th ải gi ảm nh ưng n ếu t ỷ l ệ lệ xoáy l ốc khác nhau xoáy l ốc công su ất độ ng c ơ đại c ực Nh ư vây, kh ối l ượng NOx khi t ỷ l ệ đại thì NOx trong khí th ải cao nh ất xoáy l ốc t ăng lên t ừ 1,0 lên 1,5 thì l ượng 7. Tr ường h ợp phun tách 25-3-75 công NOx gi ảm t ừ 0,00132(g) xu ống 0,00119 su ất t ăng 1,23%, lượng b ồ hóng (g) gi ảm 9,85%, khi t ăng t ỷ l ệ xoáy l ốc lên gi ảm 15,4%, l ượng NOx gi ảm 5,18% 3,0 thì l ượng NOx t ăng lên 0,00141 (g) so v ới phun 1 l ần, tr ường h ợp t ỷ l ệ tăng 6,82% , khi t ỷ l ệ xoáy l ốc t ăng lên 5,0 xoáy l ốc 1,5 công su ất t ăng lên thì NOx gi ảm xu ống 9,46169E-4 (g) gi ảm 0,87%, l ượng b ồ hóng gi ảm 38%, 28,3%. 12
13. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.