Cơ Sở Lý Thuyết Quá Trình Tạo Hỗn Hợp Và Cháy Trong Động Cơ Đốt Trong

suất. Nghiên cứu cũng nêu bật sự khác biệt về biên dạng của van cung cấp biogas giữa động cơ nhiều xi lanh và động cơ một xi lanh.

Năm 2013, nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Đông của Đại Học Đà Nẵng đã bảo vệ thành công luận án “Nghiên cứu ứng dụng biogas nén cho mô tô”. Luận án góp phần xử lý 3 vấn đề quan trọng để có thể sử dụng biogas làm nhiên liệu cho xe gắn máy, đó là (1) nén biogas vào bình chịu áp lực, (2) cung cấp biogas nén cho xe gắn máy đảm bảo cho xe hoạt động tối ưu trong mọi điều kiện vận hành và (3) xác định hệ số tốc độ màng lửa cháy rối ff trong buồng cháy động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc sử dụng biogas nén, sử dụng 2 bình 3,5 lít chứa biogas nén có 85% CH4 ở áp suất nén 75 bar thì xe gắn máy có thể chạy quãng đường độc lập 20 km ở tốc độ trung bình 40 km/h, khi động cơ chạy ở vùng tốc độ 3000 vòng/phút và biogas có 85% CH4 thì góc đánh lửa sớm tối ưu là 20 độ. Kết quả chỉ ra khi chuyển động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc sang chạy bằng biogas nén và không cải tạo buồng cháy thì hệ số cháy rối ff có thể chọn bằng 1,3 đối với nhiên liệu biogas có chứa 85% CH4 và động cơ hoạt động trong phạm vi tốc độ trung bình từ 3000 vòng/phút đến 6000 vòng/phút. Trong trường hợp này kết quả tính toán theo mô phỏng với phần mềm Fluent phù hợp với kết quả thí nghiệm trên băng thử xe gắn máy AVL [5, 3].

Cũng trong năm 2013, nghiên cứu sinh Lê Xuân Thạch của Đại Học Đà Nẵng cũng đã bảo vệ thành công luận án “Nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy của động cơ đánh lửa cuỡng bức có tỉ số nén cao sử dụng biogas” [6]. Trong công trình này, động cơ diesel ZH1115 đã được chuyển đổi thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức. Hệ thống phun nhiên liệu diesel được tháo bỏ, thay vào đó là hệ thống đánh lửa điện tử. Buồng cháy động cơ được thử nghiệm với 2 dạng: buồng cháy omega nguyên thủy và buồng cháy phẳng. Tỉ số nén động cơ được thay đổi bằng cách cắt bớt đỉnh piston với chiều dày lớp cắt khác nhau đảm bảo có được tỉ số nén thay đổi từ 9 đến 14. Góc đánh lửa sớm của động cơ được điều chỉnh bằng cách thay đổi vị trí cuộn dây cảm ứng đánh lửa lắp trên thân máy. Việc cung cấp hỗn hợp biogas-không khí cho động cơ được thực hiện nhờ bộ tạo hỗn hợp kiểu

venturi. Khi động cơ có tỉ số nén ɛ =12, chạy bằng biogas chứa 60% CH4 thì góc đánh lửa sớm tối ưu nằm trong khoảng từ φs=34o đến 42o trước ĐCT khi tốc độ động cơ thay đổi. Khi động cơ ZH1115 chạy bằng biogas ở tốc độ định mức 2200 vòng/phút, tỉ số nén tối ưu nằm trong khoảng từ ɛ =11,5 đến 12,5 [7].

Trong năm 2014, nghiên cứu sinh Lê Minh Tiến của Đại Học Đà Nẵng đã bảo vệ thành công luận án “Nghiên cứu thiết kế chế tạo động cơ sử dụng hai nhiên liệu biogas/diesel trên cơ sở động cơ diesel một xi lanh tĩnh tại” [8]. Trong công trình này, công suất động cơ nhiên liệu kép có thể lớn hơn công suất của động cơ này khi chạy hoàn toàn bằng diesel. Ở chế độ tốc độ định mức của động cơ nhiên liệu kép, chúng ta có thể sử dụng biogas nghèo có thành phần thể tích CH4 50%÷60%, không cần lọc CO2, mà vẫn đảm bảo được công suất cực đại của động cơ nguyên thủy trước khi chuyển đổi. Điều này là do lượng không khí thừa khi động cơ chạy bằng diesel rất lớn nên chúng ta có thể tăng lượng nhiên liệu biogas cung cấp để tăng công suất động cơ mà không bị hạn chế về độ đậm đặc của hỗn hợp. Góc phun sớm tăng khi hàm lượng CH4 trong nhiên liệu giảm hay khi tốc độ động cơ tăng. Khi động cơ chạy ở chế độ nhiên liệu kép biogas/diesel với tốc độ 2000 vòng/phút sử dụng biogas chứa 70% thể tích CH4 thì góc phun sớm tối ưu là 30 độ. Trong cùng điều kiện vận hành, nhiệt độ, áp suất cực đại của hỗn hợp cháy trong buồng cháy nhiên liệu kép tăng khi hàm lượng CH4 trong biogas tăng, dẫn đến công giãn nở tăng và tăng công suất động cơ. Đối với biogas giàu, công chỉ thị chu trình của động cơ giảm theo thành phần CH4 trong nhiên liệu. Tuy nhiên đối với biogas nghèo, công chỉ thị chu trình giảm nhanh hơn tốc độ giảm thành phần CH4 trong nhiên liệu do chất lượng quá trình cháy bị xấu đi vì nồng độ CO2 trong nhiên liệu tăng nhanh. Trong trường hợp này, cuối quá trình cháy vẫn còn một lượng đáng kể nhiên liệu chưa cháy hết mặc dù độ đậm đặc của hỗn hợp ϕ < 1 [15].

Các bộ tạo hỗn hợp biogas-không khí, quá trình cháy của động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức cũng như động cơ hai nhiên liệu biogas-diesel đã được tính toán mô phỏng trên phần mềm Fluent. Ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu biogas, các điều kiện của hỗn hợp trước khi cháy cũng như các điều kiện của ngọn lửa mồi đến diễn

biến quá trình đánh lửa trong buồng cháy của động cơ đều được mô phỏng và phân tích nhờ phần mềm động học thủy khí fluent nhằm tăng hiệu quả sử dụng biogas của động cơ [9]. Sản phẩm chủ yếu và nổi bật trong quá trình nghiên cứu ứng dụng biogas cho động cơ đốt trong của GS. Ga là hai bộ chuyển đổi vạn năng Gatec-20 và Gatec 21 [2]. Hai bộ chuyển đổi này đã được lắp đặt và vận hành thực tế cho các động cơ khắp cả nước.

1.5. Kết luận

Nghiên cứu tổng quan trên đây cho thấy sử dụng nhiên liệu hóa thạch là nguyên nhân chính gây ra biến đổi khí hậu, làm gia tăng nhiệt độ khí quyển do phát thải CO2, chất khí gây hiệu ứng nhà kính. Tiếp theo Nghị định thư Kyoto, Hội nghị thượng đỉnh về biến đổi khí hậu COP21 năm 2015 tại Paris, các Nguyên thủ quốc gia đã thống nhất chung là cắt giảm phát thải CO2 ngay từ năm 2020 để đến năm 2050, đưa mức phát thải CO2 về mức thời kỳ tiền công nghiệp. Việt Nam đã cam kết tham gia công ước này. Trong những năm qua, Chính phủ đã chủ trương đầu tư phát triển năng lượng tái tạo để sản xuất điện năng, khuyến khích thu hồi năng lượng từ chất thải rắn... để góp phần giảm phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính. Tuy nhiên trong lĩnh vực giao thông vận tải, chúng ta chưa có nghiên cứu gì nhiều ngoài việc sử dụng một tỉ lệ rất nhỏ cồn trong xăng sinh học E5.

Ở các nước phát triển, việc nghiên cứu giảm phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính đã được phát triển từ rất sớm. Một số nước đã lên kế hoạch loại bỏ động cơ diesel trên phương tiện giao thông mặc dù đây là loại động cơ có hiệu quả sử dụng năng lượng cao. Trong tương lai gần, ô tô sẽ sử dụng năng lượng điện, hydrogen và các loại nhiên liệu tái tạo để đáp ứng yêu cầu cắt giảm phát thải CO2 theo COP21.

Vì vậy việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu tái tạo dù ở góc độ nào cũng mang ý nghĩa khoa học và có tính thời sự. Theo xu hướng phát triển động cơ đốt trong trong tương lai thì việc sử dụng phối hợp các loại nhiên liệu khác nhau (nhiên liệu hybrid) sẽ là giải pháp hữu hiệu, một mặt nâng cao hiệu quả quá trình cháy và mặt khác, giảm phát thải ô nhiễm.

Nhiên liệu tái tạo có những đặc tính rất khác biệt. Mỗi loại nhiên liệu có những đặc trưng hóa lý riêng biệt do đó sự phối hợp sử dụng chúng sẽ khắc phục được các nhược điểm của việc sử dụng nhiên liệu riêng rẽ. Trong chiều hướng đó thì việc nghiên cứu sử dụng biogas phối hợp với các loại nhiên liệu truyền thống sẽ giúp mở rộng phạm vi ứng dụng nhiên liệu tái tạo trên phương tiện giao thông cơ giới.

Biogas là nhiên liệu tái tạo rất phong phú ở nước ta. Do biogas có chứa một tỉ lệ đáng kể CO2 nên nhiệt trị thấp và tốc độ cháy giảm so với các loại nhiên liệu truyền thống. Tuy nhiên ngoài đặc điểm là nhiên liệu tái tạo, biogas có chỉ số octane cao, giúp cải thiện quá trình cháy. Thông thường biogas được dùng để sinh nhiệt và sản xuất điện năng tại nơi sản xuất. Việc áp dụng biogas trên phương tiện cơ giới đòi hỏi quá trình lọc phức tạp và tốn kém. Để có thể áp dụng biogas có chất lượng thông thường trên phương tiện cơ giới, chúng ta cần làm giàu nó bằng những nhiên liệu khác khi cần thiết để đáp ứng công suất yêu cầu.

Ý tưởng của luận án là sử dụng biogas nghèo thông thường trên phương tiện cơ giới theo phương thức cung cấp nhiên liệu hybrid. Ở chế độ tải thấp và trung bình (phần lớn thời gian làm việc của ô tô), động cơ sử dụng biogas là chính. Khi cần mô men lớn, biogas được làm giàu bởi xăng để tăng năng lượng của hỗn hợp cháy. Đối tượng nghiên cứu là xe tải nhẹ sử dụng để vận chuyển vật tư, hàng hóa ở khu vực nông thôn, gần với nơi sản xuất biogas. Điều này sẽ giúp đơn giản hóa quá trình cung cấp nhiên liệu, giúp cho việc ứng dụng nhiên liệu tái tạo được thực hiện thuận lợi.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH TẠO HỖN HỢP VÀ CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

2.1. Hệ phương trình cơ bản

2.1.1. Các phương trình tổng quát

Hệ thống phương trình cổ điển mô tả dòng chảy chất lỏng đang diễn ra phản ứng hóa học được viết một cách tổng quát như sau:

- Phương trình bảo toàn vật chất:

div U  0

t

(2.1)

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 178 trang tài liệu này.

- Phương trình bảo toàn động lượng:

U U. d U gradP div F

t gra 

(2.2)

- Phương trình bảo toàn enthalpy toàn phần:

h.U . h Pdiv(U .)  div(.gradT n D h gradC ) Q

t grad t j ray

1

(2.3)

Phương trình này không có đại lượng biểu diễn nhiệt phản ứng vì trong enthalpy đã hàm chứa năng lượng tạo thành.

- Phương trình bảo toàn phần tử:

C.U .gradC div .D gradC R

t 

(2.4)

2.1.2. Phân tích Reynolds

Sự phân tích Reynolds thông thường cho phép tách giá trị tức thời của một đại lượng s thành giá trị trung bình 𝑠̅ và sự dao động 𝑠′:

s s s

(2.5)

Áp dụng khái niệm trên trong trường hợp lưu chất Newton, bỏ qua bản chất âm học, hệ phương trình trên đây được viết lại như sau:

- Phương trình liên tục:

div U  0

t

(2.6)

- Phương trình bảo toàn động lượng:

U uU . U U . u

t t grad grad



grad P div . grad U div . grad uF





(2.7)

- Phương trình bảo toàn năng lượng:

h hU .grad h  (.U ).gradh

t t

P div U .. U U .. uu.. u.u. u

t grad grad grad grad 



div .gradT .gradT div Dh.gradCQray

n 

1 

(2.8)

- Phương trình bảo toàn phần tử:

CCU.gradCU .gradcdiv(.D.gradC).R

t t 

(2.9)

Giả sử dòng chảy ổn định và sự dao động của độ nhớt động 𝜇′ cũng như sự dao động của hệ số dẫn nhiệt 𝜆′ được bỏ qua, hệ phương trình trên đây được đơn giản hóa thêm:

divU 0





U. grad (U )grad Pdiv. grad (U ) (U ) '. grad (u ')











U. grad hdiv(.gradT )div( n D h gradC )div(U )(.U ) '.gradh 'Q

ray

1

U.grad div(. .grad )

CDCR

(2.10)

2.1.3. Trung bình kiểu Favre

Sự phân tích Reynolds cho giá trị trung bình theo thời gian của những đại lượng làm xuất hiện trong hệ phương trình (2.10) những đại lượng quan hệ về sự dao động của chính những đại lượng ấy và dao động của khối lượng riêng ̅ρ̅′̅ϕ̅̅̅′. Sự khép

s s s

(2.11)

s s; s ''  0(s ''  0)



(2.12)

kín của hệ phương trình đòi hỏi những phương trình phụ hoặc những giả thiết đơn giản hóa về sự dao động khối lượng riêng. Trung bình theo kiểu Favre được định nghĩa theo (2.11) và (2.12) cho phép giải quyết được những khó khăn này:

Áp dụng kiểu phân tích này và giả thuyết xấp xỉ lớp biên Prandtl vào hệ phương trình (2.10), Phương trình bảo toàn vật chất, bảo toàn động lượng, bảo toàn enthalpy và bảo toàn phần tử được viết như sau:

(U )1. (r..V ) 0

x r r

(2.13)

.U . U.V . U1 r1 U.u'' .v'' a ( )

x r r r r g o



(2.14)

.U . h.V . h1 r 1 h.h''.v ''.

x r r r r Qray



(2.15)

.U . C.V . C1 r1 C.c''.v ''.R

x r r r r 



(2.16)

Sự quan hệ về dao động của một đại lượng bất kỳ và dao động khối lượng riêng không còn trong các phương trình trên. Hệ phương trình có dạng giống kiểu trung bình thời gian với khối lượng riêng không đổi nếu ta thay dấu “~” bằng dấu “-”.

2.1.4. Khép kín của hệ phương trình

Sự hiện diện của các đại lượng ρ̅̅.̅(̅̅𝑢̅̃′̅′̅.̅𝑣̅̅′̅′̅),

̅ρ̅.̅(̅̅ℎ̅′̃̅′̅.̅𝑣̅̅′̅′̅)

,̅ρ̅.̅(̅̅𝑐̅′̅′̃̅̅.̅𝑣̅̅′̅′̅)

và đại

𝛼

lượng sản sinh phần tử Ra cũng như tổn thất bức xạ trong hệ phương trình sau cùng này đòi hỏi phải thêm vào những mô hình phụ để khép kín hệ thống: Mô hình rối, mô hình cháy và giả thiết về tổn thất bức xạ.

Mô hình đơn giản nhất dựa trên giả thuyết Boussineq (1877), người đã đưa ra khái niệm về độ nhớt rối. Ứng suất Reynolds với giả thiết này được viết như sau [35]:

.u ''.v ''.U

m r

(2.17)

𝜀𝑚 là độ nhớt rối. Độ nhớt này không phải một tính chất của lưu chất như độ nhớt thông thường vì nó phụ thuộc vào cấu trúc của dòng rối hơn là phụ thuộc tính chất của chất lỏng. Điều quan trọng phải gắn liền đại lượng này với một số tối thiểu thông tin liên quan về dòng trung bình. Prandtl (1925) đưa ra khái niệm về “độ dài hỗn hợp”. Với khái niệm này, độ nhớt rối được viết như sau:

l 2 U

m r

(2.18)

Một mô hình đầy đủ nhất định nghĩa độ nhớt rối nhờ vào hai độ lớn của dòng rối, một là độ lớn dao động rối, hai là một đại lượng độ dài [36]:

u ''2v ''2w ''2/21/2

m.l1

(2.19)

Trong đó l1 là một thang đặt trưng về độ dài.

Mô hình này có thể có nhược điểm vì ứng suất rối không triệt tiêu ở điểm tốc độ trung bình cực đại mà triệt tiêu ở những vùng mà gradient khác 0 [37], [38]. Ứng dụng độ dài Prandtl [38] dưới dạng:

U U 2U 2

P.(u ''.v '') .l 2 . l 2 

r r 2 r2 

(2.20)

Trong đó l2 là một độ dài xác định bằng thực nghiệm.

Thiết lập mô hình rối trên cơ sở đó bao hàm việc đánh giá độ dài hỗn hợp Prandtl. Von Karman nhờ [39], [38] vào giả thiết gọi là đồng dạng và phân tích không

thứ nguyên chỉ ra rằng thang độ dài tỉ lệ với 𝜕𝑈̃⁄𝜕𝑟

𝜕2𝑈̃⁄𝜕𝑟2

. Tác giả đề nghị sử dụng độ dài

hỗn hợp Prandtl dưới dạng:

l K U / r

v 2U / r2

(2.21)

Trong đó giá trị hằng số tỉ lệ Kv được xác định nhờ thực nghiệm và nằm trong khoảng 0,36 ÷ 0,40.

Những mô hình hiện tại hơn dùng ít nhất một phương trình phụ để xác định