Nghiên cứu quá trình cháy trong động cơ 3 xy lanh Diesel phun gián tiếp có buồng cháy Three Vortex Combustion (TVC), sử dụng nhiên liệu sinh học Bio-Diesel

Nội dung text: Nghiên cứu quá trình cháy trong động cơ 3 xy lanh Diesel phun gián tiếp có buồng cháy Three Vortex Combustion (TVC), sử dụng nhiên liệu sinh học Bio-Diesel

1. Nghiên cứu quá trình cháy trong động cơ 3 xy lanh Diesel phun gián tiếp có buồng cháy Three Vortex Combustion (TVC), sử dụng nhiên liệu sinh học Bio-Diesel. PGS.TS. Phạm Xuân Mai, KS. Nguyễn Hùng Việt Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh Research in combustion engine 3 cylinder indirect injection diesel combustion chamber Three Vortex Combustion (TVC), biofuel use Bio-Diesel Associate Professor Dr. Pham Xuan Mai, Engineers. Nguyen Hung Viet University of Technical Education Ho Chi Minh City Email: pmai_2002@yahoo.com; vietnguyenckd@gmail.com TÓM TẮT Bài báo này giới thiệu kết quả nghiên cứu về “Nghiên cứu quá trình cháy trong động cơ 3 xy lanh Diesel phun gián tiếp có buồng cháy Three Vortex Combustion (TVC), sử dụng nhiên liệu sinh học Bio-Diesel. (tham khảo động cơ 3 xy lanh KUBOTA D1703-M- E3B)”. Nghiên cứu quá trình cháy của động cơ này nhằm mục đích thiết kế, chế tạo ra một động cơ mới dựa trên nền tảng là động cơ Diesel 3 xy lanh phun gián tiếp có buồng cháy Three Vortex Combustion (TVCS) sử dụng nhiên liệu Bio-Diesel thân thiện với môi trường, giảm khí thải ô nhiễm, và giảm phụ thuộc vào nhiên liệu truyền thống như xăng, diesel Với nghiên cứu này sẽ tạo ra loại động cơ riêng của Việt Nam mang thương hiệu của Việt Nam và đặc biệt là giá thành sẽ thấp hơn so với động cơ của thế giới nhằm phục vụ cho sự nghiệp cơ giới hóa, hiện đại hóa nền nông nghiệp nông thôn Việt Nam. ABSTRACT This paper introduces research findings on "Research in combustion engine 3 cylinder indirect injection diesel combustion chamber Three Vortex Combustion (TVC), biofuel use Bio-Diesel.(Reference 3 cylinder engine KUBOTA D1703-M-E3B)”. Studies of the combustion engine aims to design, manufacture a new engine is based on the 3 cylinder diesel engine with indirect injection combustion chamber Three Vortex Combustion (TVC) Bio-fuel use diesel environmentally friendly, pollution emissions, and reduce dependence on traditional fuels such as gasoline, diesel. With this research will produce engines Vietnam's own brand of Vietnam and especially the price will be lower than the engine of the world to serve the cause of mechanization, modernization agricultural and rural Vietnam. Key words: biodiesel, three cylinder, idi engine, simulations, three vortex combustion, Ricardo Wave 1
2. I. Giới thiệu. và nông thôn Việt Nam trong các ứng dụng Nông nghiệp là ngành kinh tế quan sau: trọng của Việt Nam. Hiện nay, Việt Nam - Vận tải nông thôn vẫn là một nước nông nghiệp. Năm 2009, - Kéo máy công tác giá trị sản lượng của nông nghiệp đạt - Các dịch vụ khác trong nông thôn 71.473 nghìn tỷ đồng (giá so sánh với năm như: phát điện, tưới tiêu, 1994), tăng 1,32 % so với năm 2008 và Và đối tượng nghiên cứu là động cơ 3 chiếm 13,85 % tổng sản phẩm trong nước. xy lanh dùng trong nông thôn Việt Nam. Đóng góp của nông nghiệp vào tạo việc II. Cơ sở lý thuyết. làm còn lớn hơn cả đóng góp của ngành 1. Cơ sở lý thuyết quá trình cháy động vào GDP. Trong năm 2005, có khoảng cơ nhiệt. 60% lao động làm việc trong lĩnh vực - Quá trình cháy của hỗn hợp nhiên nông, lâm nghiệp, và thuỷ sản. Sản lượng liệu không khí là một trong những yếu tố nông nghiệp xuất khẩu chiếm khoảng 30 % chính ảnh hưởng đến tính năng kinh tế kỹ trong năm 2005. Việc tự do hóa sản xuất thuật và mức độ phát ô nhiễm của động cơ nông nghiệp, đặc biệt là sản xuất lúa gạo, đốt trong. Vì vậy, việc nguyên cứu hoàn đã giúp Việt Nam là nước thứ Nhất trên thiện quá trình cháy từ lâu đã thu hút sự thế giới về xuất khẩu gạo (2013). Những quan tâm của các nhà khoa học và các nhà nông sản quan trọng khác là cà phê, sợi sản xuất ô tô, xe máy. Trong thực tế có hai bông, đậu phộng, cao su, đường, và trà [1]. loại động cơ được dùng phổ biến, đó là Đi đôi với việc phát triển nông nghiệp và động cơ đánh lửa cưỡng bức và động cơ phát triển nông thôn nhà nước ta đã tiến Diesel, về cơ bản chúng được phân biệt với hành cơ giới hóa, hiện đại hóa nền nông nhau bởi tính đặc thù của quá trình cháy. nghiệp bằng các phương tiện cơ giới, máy - Cháy hoàn toàn lý thuyết được đặc móc trang thiết bị phục vụ cho việc phát trưng bởi tỉ số tương đương nhiên liệu triển nông nghiệp, nông thôn Việt Nam không khí hay độ đậm đặc của hỗn hợp  nhằm đạt năng suất cao nhất, tiêu hao được định nghĩa theo biểu thức [2, 3]: nhiên liệu thấp nhất và giảm ô nhiễm môi F /   tt (2.1) trường. Với mục đích đó tôi viết bài báo F /  lt này nhằm mục đích thực hiện nghiên cứu Và hệ số dư lượng không khí  mô phỏng quá trình cháy trong động cơ thường dùng là giá trị nghịch đảo của  Diesel 3 xy lanh sử dụng nhiên liệu sinh 1 A/ F lt học Biodiesel thích hợp cho nông nghiệp   (2.2) A/ F lt 2
3. Nếu  > 1,  1 hỗn hợp giàu [19, 24]. - Ngoài ra quá trình cháy động cơ nhiệt còn phải tuân thủ các định luật nhiệt động học thứ nhất và thứ hai của quá trình cháy. 2. Cơ sở lý thuyết quá trình cháy động cơ Diesel phun gián tiếp. Ở động cơ phun gián tiếp, áp suất Hình 2.1: Sơ đồ buồng cháy dự bị và trong buồng cháy chính và buồng cháy dự buồng cháy chính trong động cơ Diesel bị khác nhau. Vì quá trình cháy bắt đầu ở phun gián tiếp. buồng cháy dự bị, nhiệt lượng nhiên liệu dQ1 dV1 dm dU1 tỏa ra làm áp suất trong buồng cháy này p1 h2,1 (2.3) dt dt dt dt tăng lên cao hơn áp suất trong buồng cháy và áp dụng định luật nhiệt động học 1 vào chính. Phụ thuộc vào kết cấu của buồng buồng cháy dự bị, ta có: cháy và điều kiện vận hành, áp suất trong dQ dm dm dU 2 h h f 2 (2.4) buồng cháy dự bị có thể cao hơn áp suất dt 2,1 dt f dt dt trong buồng cháy chính từ 0,5 đến 5 atm. Ở đây dm/dt là tốc độ biến thiên lưu Sự chênh lệch áp suất này khiến cho không lượng môi chất giữa hai buồng cháy, nó khí, nhiên liệu, khí đang cháy và sản phẩm mang dấu dương nếu dòng vật chất chảy từ cháy bị đẩy từ buồng cháy dự bị vào buồng buồng cháy dự bị vào buồng cháy chính; cháy chính và tiếp tục bốc cháy. Ở động cơ nếu dm/dt > 0, h2,1 = h2; nếu dm/dt < 0, h2,1 Diesel phun gián tiếp, chúng ta cần quan = h1. Nếu chúng ta định nghĩa U1 và U2 là tâm đến sự khác biệt về áp suất trong nội năng tương đối và h1 là enthalpy tương buồng cháy chính và buồng cháy dự bị. đối của nhiên liệu thì dQ1/dt và dQ2/dt biểu -Hình 2.1 giới thiệu sơ đồ buồng cháy diễn tốc độ tỏa nhiệt tinh, chính là hiệu số động cơ Diesel phun gián tiếp. Buồng cháy giữa tốc độ tỏa nhiệt của quá trình cháy và chính và buồng cháy dự bị được nối với tốc độ truyền nhiệt cho thành xy lanh [2,3]. nhau qua các lỗ thông. Như vậy buồng cháy động cơ này có thể xem xét như bao gồm hai hệ thống hở khác nhau. Áp dụng 3
4. Kỳ nén: Cả 2 van đều đóng lại và sự nén của piston tăng lên và tăng nhiệt độ không khí. Kỳ sinh công: chỉ trước điểm chết trên, dầu nhiên liệu, có một tia lửa (bugi xông) với nhiệt độ 400 độ C, nhiên liệu Hình 2.2: Đường cong tỏa nhiệt tính toán được phun trong xy lanh tại áp suất cao đối với động cơ Diesel phun gián tiếp ở này. Sau thời gian ngắn, nhiên liệu bắt đầu chế độ tải cố định với 0,29 ≤ ∅ < 0,32, tốc bốc cháy và giải phóng nhiệt, nhiệt này độ 2500 vòng/phút [2,3]. làm tăng áp suất, cung cấp lực đẩy cần Nếu chúng ta áp dụng mô hình khí lý thiết cho kỳ sinh công. tưởng cho môi chất chứa trong các buồng Kỳ xả: khi mà piston gần điểm cuối cháy với cp, cv và m là những hằng số thì của kỳ sinh công, cửa thải được mở ra. quan hệ p1V1 = m1RT1 và p2V2 = m2RT2 có Piston tăng dần và đẩy lượng khí cháy ra thể được dùng để khử m và T trong các đại ngoài và sẵn sàng cho chu kỳ mới. lượng dU/dt, và trong thực tế hs,f =0 có thể được dùng để viết các phương trình dưới dạng: dQ  dV 1 dp dm 1 p 1 V 1 c T (2.5) dt  1 1 dt  1 1 dt p 2,1 dt dQ 1 dp dm 2 V 2 c T (2.6) dt  1 2 dt p 2,1 dt Khi dùng kết hợp hai phương trình này, chúng ta có thể loại trừ đại lượng biểu diễn thông lượng enthalpy giữa hai buồng cháy do đó lượng tỏa nhiệt tinh tổng cộng Hình 2.3: Mô hình tổng thể buồng cháy và có thể tính toán theo biểu thức sau đây: quá trình hoạt động của động cơ IDI [4]. dQ dQ dQ  dV 1 dp dp *Quá trình cháy động cơ phun gián tiếp 1 2 p 1 V 1 V 2 (2.7) dt dt dt  1 1 dt  1 1 dt 2 dt (IDI TVCS). Sau đây là nguyên lý chung quá trình cháy trong động cơ Diesel phun gián tiếp: Kỳ hút: Piston đi xuống làm tăng thể tích và giảm áp suất trong xy lanh. Áp suất khí quyển đẩy không khí thông qua cổng Hình 2.4: Kết cấu buồng cháy trong động vào được mở trong xy lanh. cơ Kubota D1703-M-E3B. 4
5. - Hệ thống làm mát không phải loại tuần hoàn bằng nước. - Giá thành sản phẩm cao hơn các loại động cơ thông thường cùng công suất. - Không có hệ thống xử lý khí thải trên đường xả. Hình 2.5: Buồng cháy Three Vortex. - Suất tiêu hao nhiên liệu tương đối *Ưu điểm: lớn, vì tổn thất nhiệt truyền cho nước làm - Sử dụng hệ thống hòa trộn tạo xoáy mát tương đối lớn, diện tích làm mát của E-TVCS (Three Vortex Combustion toàn bộ buồng cháy lớn hơn rất nhiều so System). với buồng cháy thống nhất, mặt khác còn - Do có nắp buồng cháy rất nóng và do do tốc độ lưu động của môi chất trong vận động xoáy lốc mạnh của không khí buồng cháy xoáy lốc trong đường thông trong buồng cháy nên động cơ rất ít nhạy cũng như trong xy lanh của động cơ đều cảm đối với chất lượng nhiên liệu và thời lớn nên làm tăng hệ số truyền nhiệt cho tiết của khí trời . nước làm mát. - Động cơ làm việc rất ổn định kể cả Công dụng chủ yếu của buồng cháy trường hợp thay đổi phụ tải và số vòng xoáy lốc trong quá trình cháy khuếch tán là quay của động cơ. Chế độ khởi động động tạo ra vận động xoáy lốc mạnh của không cơ khi nhiệt độ lạnh. Buồng đốt có dạng khí làm cho nhiên liệu và không khí được hình cầu hay ô van. hòa trộn với nhau thật đều. Chính vì vậy - Hệ thống nhiên liệu thường dùng vòi thể tích của buồng cháy xoáy lốc và diện phun 1 lỗ áp suất phun rất thấp do đó ít hư tích tiết diện ngang của đường thông nhau hỏng. Tiêu hao nhiên liệu thấp và công giữa buồng cháy xoáy lốc và buồng cháy suất cao. Độ ồn thấp hơn các loại động cơ chính tương đối lớn. Đường thông được cùng cấp. đặt trên nắp buồng cháy. Nắp này được - Phương pháp hình thành khí hỗn hợp làm bằng thép hoặc gang nên chịu nhiệt và trong buồng cháy xoáy lốc có thể sử dụng không được làm mát nên khi động cơ chạy trong các động cơ cao tốc, kích thước xy nắp buồng cháy rất nóng. Chính vì vậy đã lanh tương đối nhỏ. làm tăng nhiệt độ không khí buồng cháy và *Nhược điểm: làm cho nhiên liệu dễ bốc hơi kể cả những - Kết cấu buồng cháy phức tạp với hệ nhiên liệu có thành phần chưng cất nặng, thống nạp kiểu TVCS. cho nên khi thay đổi phụ tải và số vòng quay của động cơ trong quá trình làm việc, 5
6. động cơ vẫn rất ổn định. Tăng số vòng quay động cơ sẽ làm tăng tốc độ vận động của dòng khí xoáy lốc nên không khí được hòa trộn với nhiên liệu tốt hơn và quá trình công tác của động cơ ổn định hơn. Muốn tận dụng khối lượng không khí trong buồng cháy chính vào quá trình hình thành khí hỗn hợp và quá trình cháy của động cơ cần tìm biện pháp tập trung hầu hết khối không khí trong buồng cháy chính vào khu vực đối diện với họng thông, đồng thời tạo điều kiện để cho môi chất trong buồng cháy chính được vận động xoáy lốc mạnh sau khi nhiên liệu đã bốc cháy trong buồng cháy xoáy lốc, tức là sau khi môi chất được phun ra từ buồng cháy xoáy lốc vào buồng cháy chính. Một trong những biện pháp tốt nhất là khoét lõm đỉnh piston tại khu vực đối diện với họng thông, đồng Hình 2.6: Biểu đồ nồng độ NOx phụ thuộc thời cố gắng giảm kẽ hở giữa đỉnh piston vào tải và góc quay trục khuỷu với nhiên và nắp xy lanh nhằm mục đích dồn hết liệu B10, B5 và Diesel. không khí vào buồng cháy chính vào khu 3.2 Về nồng độ CO. vực khoét lõm trên đỉnh piston. 3. Các kết quả mô phỏng động cơ Diesel IDI của ba nhiên liệu Diesel, B5, B10 bằng phần mềm Ricardo Wave 8.0 [5]. 3.1. Về nồng độ NOx. 6
7. 3.4. Về moment động cơ. Hình 2.7: Biểu đồ nồng độ CO phụ thuộc vào tải và góc quay trục khuỷu với nhiên Hình 2.9: Moment của động cơ Kubota liệu B5, B10 và Diesel. D1703-M-E3B với nhiên liệu Diesel, B5 và 3.3. Về công suất động cơ. B10. 3.5. Về suất tiêu hao nhiên liệu. Hình 2.8: Công suất của động cơ Kubota Hình 2.10: Suất tiêu hao nhiên liệu của D1703-M-E3B với nhiên liệu Diesel, B5 và động cơ CI sử dụng nhiên liệu B5, B10 và B10. Diesel. 7
8. - Đối với moment và công suất động Diesel, B5, B10 ở số vòng quay 1700 cơ: Dựa trên kết quả mô phỏng ta thấy mức vòng/phút ứng với moment cực đại của độ giảm công suất, moment của động cơ sử động cơ là 2132 ppm, 986 ppm, 886 ppm dụng nhiên liệu B5 là thấp nhất sau đó đến và đạt giá trị thấp nhất tại số vòng quay B10, điều này cho thấy sự ảnh hưởng của 2800 vòng/phút ứng với công suất lớn nhất phần trăm nhiên liệu Biodiesel pha trộn vào tương ứng là 1991 ppm, 831 ppm, 733 Diesel đến công suất và moment đầu ra của ppm. động cơ. Moment cực đại của nhiên liệu - Đối với khí thải CO mức độ phát thải Diesel, B5, B10 lần lượt là: 101,72 Nm, cao nhất đối với nhiên liệu Diesel, B5, B10 72,6 Nm; 65,96 Nm. Và công suất cực đại ở số vòng quay 1700 vòng/phút ứng với tương ứng của Diesel, B5, B10 là: 27,69 moment cực đại của động cơ là 460,42 kW; 19,76 kW; 17,96 kW. Các kết quả ppm, 19 ppm; 8,78 ppm tại tốc độ động cơ moment, công suất này sẽ tăng theo tốc độ n =1700 vòng/phút. động cơ bởi vì trong phần mềm Ricardo Tóm lại từ kết quả mô phỏng trên ta Wave không cho phép khai báo bộ điều tốc thấy lợi ích của nhiên liệu sinh học là rất nên khi tăng tốc độ của động cơ thì khả quan và có lợi ích kinh tế rất lớn đối moment, công suất tăng theo. với Việt Nam chúng ta. Vừa tận dụng được - Đối với suất tiêu hao nhiên liệu của nguồn nhiên liệu dồi dào và phong phú, lại động cơ tỷ lệ với hiệu suất nhiệt động cơ, vừa cải thiện được mức độ ô nhiễm môi đi kèm với hiệu suất nhiệt cao thì sức tiêu trường trong khí xả động cơ. Nhiên liệu hao nhiên liệu sẽ lớn. Trong kết quả mô sinh học được sử dụng sẽ làm giảm ô phỏng ta thấy suất tiêu hao nhiên liệu của nhiễm môi trường, tiêu hao nhiên liệu ở nhiên liệu B10 và B5 là lớn hơn so với mức chấp nhận được trong quá trình cải Diesel, trong đó nhiên liệu B10 là lớn nhất. thiện giảm mức độ tiêu hao nhiên liệu so Suất tiêu hao nhiên liệu lớn nhất tương ứng với Diesel, mặt dù công suất và moment với Diesel, B5, B10 là 0,248 kg/kW/hr; của động cơ là giảm hơn so với động cơ sử 0,358 kg/kW/hr; 0,393 kg/kW/hr. Mức dụng nhiên liệu Diesel. Nhưng bù lại là chênh lệch giá trị giữa Diesel và B10 là giảm ô nhiễm môi trường và mức tiêu hao 0,145 kg/kW/hr; Diesel và B5 là 0,11 nhiên liệu vừa phải. Góp phần vào việc sử kg/kW/hr, với giá trị này thì mức tiêu hao dụng nhiên liệu sinh học bù lại cho nhiên nhiên liệu của Biodiesel B5, B10 không liệu truyền thống đang ngày càng cạn kiệt đáng kể so với nhiên liệu Diesel. như hiện nay. - Đối với khí thải NOx, NO thì mức độ phát thải cao nhất đối với nhiên liệu 8
9. Tài liệu tham khảo. TIẾNG VIỆT [1] ng_nghi%E1%BB%87p_Vi%E1%BB%87 t_Nam. [2] PGS.TSKH Bùi Văn Ga, “ Quá trình cháy trong động cơ đốt trong”, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội, 2002. TIẾNG NƯỚC NGOÀI [3]. John B. Heywood: “Internal Combustion Engine Fundamentals”, McGraw- Hill Book Company, New York, 1988. [4] [5] Ricardo Software, Chicago Technical Center, 7850 Grant Street, Burr Ridge, IL 60527-5852, U.S.A. XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS.TS Phạm Xuân Mai 9
10. 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.