ẢNH HƯỞNG của CÁC THÔNG số vận HÀNH đến QUÁ TRÌNH CHÁY ĐỘNG cơ VIKYNO RV125 sử DỤNG NHIÊN LIỆU KÉP CNG DIESEL

ẢNH HƯỞNG của CÁC THÔNG số vận HÀNH đến QUÁ TRÌNH CHÁY ĐỘNG cơ VIKYNO RV125 sử DỤNG NHIÊN LIỆU KÉP CNG DIESEL ẢNH HƯỞNG của CÁC THÔNG số vận HÀNH đến QUÁ TRÌNH CHÁY ĐỘNG cơ VIKYNO RV125 sử DỤNG NHIÊN LIỆU KÉP CNG DIESEL ẢNH HƯỞNG của CÁC THÔNG số vận HÀNH đến QUÁ TRÌNH CHÁY ĐỘNG cơ VIKYNO RV125 sử DỤNG NHIÊN LIỆU KÉP CNG DIESEL ẢNH HƯỞNG của CÁC THÔNG số vận HÀNH đến QUÁ TRÌNH CHÁY ĐỘNG cơ VIKYNO RV125 sử DỤNG NHIÊN LIỆU KÉP CNG DIESEL ẢNH HƯỞNG của CÁC THÔNG số vận HÀNH đến QUÁ TRÌNH CHÁY ĐỘNG cơ VIKYNO RV125 sử DỤNG NHIÊN LIỆU KÉP CNG DIESEL

ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ VẬN HÀNH ĐẾN QUÁ TRÌNH CHÁY ĐỘNG CƠ VIKYNO RV125 SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KÉP CNG-DIESEL

EFFECT OF OPERATION PARAMETERS ON COMBUSTION ENGINE VIKYNO

RV125 USING DUAL FUEL CNG-DIESEL

Trần Thanh Hải Tùng 1a , Đỗ Văn Dũng 2b , Huỳnh Phước Sơn 2c , Nguyễn Đình Quý 2d

1 Trường Đại học Đà Nẵng;

2 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh;

a haitungdng@gmail.com; b dodzung@hcmute.edu.vn;

csonhp@hcmute.edu.vn; d ndquybkc4@gmail.com;

TÓM TẮT

Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số vận hành (góc phun sớm, độ đậm đặc hỗn hợp, tốc độ động cơ) đến quá trình cháy của động cơ VIKYNO RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel bằng phần mềm tính toán động lực học lưu chất FLUENT Kết quả tính toán mô phỏng cho thấy trong điều kiện động cơ vận hành ở tốc độ 2000 vòng/phút thì góc phun sớm tối ưu là 200 (BTDC), khi đó công chỉ thị của chu trình là lớn nhất; đồng thời khi tăng độ đậm đặc của hỗn hợp, hàm lượng CO sinh ra sẽ tăng cao; tính toán mô phỏng cũng cho thấy công chỉ thị động cơ giảm khi tốc độ động cơ tăng Kết quả đạt được là cơ sở cho việc định hướng nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel trên mô hình thực nghiệm Nghiên cứu này cũng có ý nghĩa cho phép giảm bớt các thử nghiệm phức tạp, giảm chi phí cũng như tiết kiệm thời gian thử nghiệm

Từ khóa: động cơ VIKYNO RV125, CNG-diesel, CRDI, Fluent

ABSTRACT

The paper represents the research results about the effects of operation parameters such as advance injection angle, fuel-air mixture, engine speeds on combustion of VIKYNO RV125 engine which uses dual fuel CNG-diesel by computational fluid dynamics FLUENT software The calculating and simulating results show that the optimal advance injection angle is about

200 (BTDC) for engine speed at 2000 rpm and it has maximum indicated mean effective pressure (IMEP) When we increase mixture to rich ratio, amount of CO is also high The calculating and simulating also show that the engine performance will decrease when engine speeds are increased The paper results are basic for researching, designing and manufacturing fuel system which is controled and provided dual fuel CNG-diesel on the experimental model This study also allows reduce complexity, costs and save time for engine testing

Keywords:VIKYNO RV125 engine, CNG-diesel, CRDI, Fluent

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Khí thiên nhiên nén CNG (Compressed Natural Gas) với thành phần chính là khí Methane CH4 (70 ÷ 95%), có nhiệt trị cao được xem là nguồn nhiên liệu sạch và có trữ lượng lớn được nghiên cứu sử dụng thay thế cho các nhiên liệu truyền thống như xăng và dầu diesel nhằm giải quyết vấn đề khan hiếm về nhiên liệu và giảm khí phát thải độc hại, bảo vệ môi trường Trong đó, hướng nghiên cứu sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel trên các động cơ diesel hiện có được xem là có tính khả thi nhằm tiết kiệm chi phí chuyển đổi và phù hợp với hạ tầng cung cấp khí CNG hiện nay Nghiên cứu cải tạo động cơ VIKYNO RV125 thành động cơ nhiên liệu kép CNG-diesel được thực hiện nhằm góp phần nghiên cứu hoạt động của động cơ nén cháy có tỷ số nén cao khi chạy bằng hỗn hợp nhiên liệu kép CNG-diesel Trong

thực nghiệm này, hệ thống nhiên liệu diesel kiểu PF được thay thế bằng hệ thống nhiên liệu Common Rail Diesel Injection (CRDI) và hệ thống nhiên liệu CNG được cung cấp theo phương pháp phun trên đường ống nạp, trong đó diesel đóng vai trò phun mồi để tạo tia lửa đốt cháy hỗn hợp khí CNG Việc sử dụng hệ thống CRDI điều khiển bằng điện tử nhằm giúp cho việc điều khiển, kiểm soát được thời điểm phun, lượng phun dầu diesel và khí CNG một cách thuận lợi và hiệu quả, nhằm góp phần giảm hiện tượng kích nổ và nâng cao tỷ lệ sử dụng CNG-diesel trong các chế độ hoạt động của động cơ[3]

Để giúp cho việc nghiên cứu thực nghiệm được thuận lợi, việc nghiên cứu tính toán mô phỏng bằng các phần mềm chuyên dụng nhằm khảo sát ảnh hưởng của các thông số vận hành đến tính năng công tác của động cơ là cần thiết Kết quả tính toán, mô phỏng giúp cho việc lựa chọn và đề xuất các giải pháp thực nghiệm được phù hợp và bớt phần tốn kém, phức tạp, tiết kiệm thời gian thực nghiệm; đồng thời là cơ sở để so sánh đối chiếu với các kết quả thực nghiệm sau này Nghiên cứu này được thực hiện trên cơ sở phần mềm tính toán động lực học lưu chất FLUENT, là phần mềm có khả năng xử lý mạnh, độ chính xác, tin cậy cao và thân thiện, phù hợp với các nghiên cứu tính toán mô phỏng quá trình cháy của động cơ sử dụng các loại nhiên liệu kép

2 PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG

Mô phỏng quá trình cháy động cơ VIKYNO RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel được thực hiện bằng phần mềm Fluent Các bước xây dựng mô hình, chia lưới không gian tính toán và xác lập điều kiện biên của bài toán được trình bày chi tiết trong [5]

Động cơ nhiên liệu kép CNG-diesel đánh lửa bằng tia phun mồi diesel, do đó màng lửa có dạng hình trụ xuất phát từ mũi tia phun nằm trong buồng cháy omega chứ không phải nằm trên đỉnh buồng cháy Sau khi bén lửa, tia phun cháy nhanh tạo thành một đuốc lửa với năng lượng lớn khiến cho hỗn hợp CNG-không khí được chuẩn bị trước bốc cháy nhanh chóng Chúng ta lần lượt nghiên cứu ảnh hưởng của góc phun sớm, độ đậm đặc hỗn hợp, tốc độ động cơ đến quá trình cháy động cơ VIKYNO RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel

3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 Ảnh hưởng của góc phun sớm

Kết quả mô phỏng với thành phần hỗn hợp f = 0,054 ứng với  = 1, số vòng quay n =

2000 vòng/phút (v/p), ứng với các góc phun sớm slần lượt là 10, 20, 30, 40 0 (độ) được phân tích như sau

Hình 1 Áp suất chỉ thị ứng với s: 10, 20, 30, 40 (độ), n = 2000v/p; = 1

Hình 1 giới thiệu đường cong áp suất chỉ thị và hình 2 giới thiệu đồ thị công của động

cơ sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel khi thay đổi góc phun sớm Kết quả mô phỏng cho

thấy góc phun sớm càng lớn thì áp suất chỉ thị cực đại càng tăng và đỉnh của đường cong áp suất càng dịch về phía tay trái Điều này khiến cho áp suất trong kỳ nén và trong kỳ giãn nở đều tăng dẫn đến công nén và công giãn nở cũng tăng theo Khi mức độ tăng công giãn nở lớn hơn mức độ tăng của công nén thì công chỉ thị chu trình tăng Ngược lại khi mức độ tăng công giãn nở không bù được mức độ tăng công nén thì công chỉ thị của động cơ giảm

Hình 2 Đồ thị công chỉ thị ứng với s: 10, 20, 30, 40 (độ), n = 2000v/p; 

Hình 2 cho thấy công chỉ thị của chu trình giảm khi tăng góc phun sớm

Hình 3 Công chỉ thị ứng với s: 10, 20, 30, 40 (độ), n = 2000v/p; = 1

Hình 3 cho thấy, khi động cơ chạy ở tốc độ 2000 v/p, giá trị cực đại của đường công chỉ thị ứng với góc phun sớm s = 20 (độ), đây cũng là góc phun sớm tối ưu ở chế độ này

3.2 Ảnh hưởng của độ đậm đặc hỗn hợp

Độ đậm đặc của hỗn hợp trong tính toán được điềuchỉnh thông qua hệ số tỉ lệ hỗn hợp f (mixture fraction) [7] Tương quan giữa f và ϕ trong trường hợp nhiên liệu CNG chứa 100% CH4 theo thể tích được tính toán thể hiện trong bảng 1

Bảng 1 Giá trị thành phần hỗn hợp f theo hệ số tương đương 

f 0,044 0,049 0,054 0,059 0,064 Kết quả mô phỏng quá trình cháy động cơ ở chế độ số vòng quay n = 2000v/p, góc phun sớm s = 20 (độ) lần lượt ứng với các thành phần hỗn hợp f được biểu diễn như sau

Hình 4 Biến thiên nồng độ O2 (n = 2000v/p; s = 20 độ)

Hình 5 Biến thiên nồng độ CH4 (n = 2000v/p; s = 20 độ)

Hình 4 và 5 giới thiệu biến thiên nồng độ O2 và nồng độ CH4 trong buồng cháy khi chạy bằng CNG có thành phần hỗn hợp thay đổi Khi hỗn hợp nghèo, thành phần O2 trong hỗn hợp cao và thành phần CH4 trong hỗn hợp thấp

Hình 6 giới thiệu sự hình thành CO trong quá trình cháy của động cơ VIKYNO RV125 sử dụng nhiên liệu kép khi thành phần hỗn hợp thay đổi Ta nhận thấy khi hỗn hợp càng giàu thì hàm lượng CO sinh ra nhiều hơn so với khi hỗn hợp nghèo

Hình 6 Sự phát sinh nồng độ CO(n = 2000v/p; s = 20 độ)

Hình 7 Biến thiên nhiệt độ trung bình của môi chất(n = 2000v/p; s = 20 độ)

Kết quả tính toán lý thuyết cho thấy khi hỗn hợp đậm đặc thì hàm lượng CH4 còn lại trong khí thải tăng Nhiệt độ hỗn hợp trong buồng cháy trên đường giãn nở cũng tăng theo độ đậm đặc (Hình 7) Theo đồ thị, ta nhận thấy nhiệt độ cao nhất ứng với f = 0,059 (tức  = 1,1)

Hình 8 Áp suất chỉ thị theo độ đậm đặc của hỗn hợp (n = 2000v/p; s = 20 độ)

Hình 9 Công chỉ thị theo độ đậm đặc của hỗn hợp(n = 2000v/p; s = 20 độ)

Hình 8 và 9 biểu diễn đồ thị áp suất chỉ thị và đồ thị công của động cơ VIKYNO RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel

Hình 10 Biến thiên công chỉ thị theo độ đậm đặc hỗn hợp (n = 2000v/p; s = 20 độ)

Biến thiên công chỉ thị chu trình theo độ đậm đặc của hỗn hợp được giới thiệu trên hình

10, ta thấy công chỉ thị chu trình đạt giá trị cực đại ứng với độ đậm đặc của hỗn hợp hơi giàu

 = 1,1

3.3 Ảnh hưởng của tốc độ động cơ

Tốc độ động cơ là thông số quan trọng ảnh hưởng đến tính năng công tác của động cơ Hình 11 giới thiệu diễn biến quá trình cháy ở vị trí 10 độ sau khi đánh lửa bằng tia phun mồi khi động cơ chạy ở tốc độ 1200 v/p và 2400 v/p Ta nhận thấy tại cùng một vị trí góc quay trục khuỷu, khi tốc độ động cơ thấp, màng lửa lan truyền ra xa hơn so với khi tốc độ động cơ cao Tốc độ tỏa nhiệt ở tốc độ thấp cũng lớn hơn khi ở tốc độ cao

Tương tự, tại vị trí 20 độ sau khi đánh lửa diễn biến quá trình cháy được thể hiện trên hình 12 Tuy nhiên khi tốc độ động cơ cao, vận động xoáy lốc của dòng khí bên trong buồng cháy gia tăng, điều này giúp cải thiện tốc độ cháy nên sự khác biệt vị trí màng lửa giữa hai giá trị tốc độ này không lớn khi piston ở điểm chết trên

Hình 11 Diễn biến quá trình cháy ở điều kiện (= 350 độ,s = 20 độ= 1)

Hình 12 Diễn biến quá trình cháy ở điều kiện (= 360 độ,s= 20 độ= 1)

Kết quả mô phỏng diễn biến áp suất quá trình cháy và công chỉ thị chu trình của động

cơ VIKYNO RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel theo tốc độ quay của động cơ từ 1200v/p đến 2400v/p được thể hiện qua các hình 13 và 14

Do tốc độ động cơ thấp nên thời gian ứng với mỗi độ góc quay trục khuỷu dài hơn khi tốc độ động cơ cao Điều này có nghĩa là lượng nhiên liệu cháy ứng với mỗi độ góc quay trục khuỷu khi tốc độ động cơ thấp lớn hơn khi tốc độ động cơ cao

Hình 13 Biến thiên áp suất chỉ thị theo tốc độ động cơ (s = 20 độ,  = 1)

Hình 13 giới thiệu đồ thị áp suất chỉ thị và hình 14 giới thiệu đồ thị công chỉ thị khi động cơ chạy ở các tốc độ khác nhau Các thông số vận hành khác của động cơ giữ cố định

Ta nhận thấy áp suất chỉ thị cực đại của động cơ tăng khi tốc độ động cơ giảm

Hình 14 Biến thiên đồ thị công chỉ thị theo tốc độ động cơ (s = 20 độ,  = 1)

Hình 15 Biến thiên công chỉ thị chu trình theo tốc độ động cơ (s = 20 độ,  = 1)

Hình 15 biểu diễn biến thiên công chỉ thị chu trình theo tốc độ động cơ Kết quả tính toán cho thấy công chỉ thị động cơ giảm khoảng 13% khi tốc độ động cơ tăng từ 1200 v/p lên

2400 v/p

Theo hình 16 ta nhận thấy công suất chỉ thị của động cơ tỉ lệ nghịch với công chỉ thị chu trình và tỉ lệ thuận với tốc độ động cơ Do công chỉ thị chu trình giảm khi tốc độ động cơ tăng nên đường đặc tính công suất chỉ thị theo tốc độ động cơ không tuyến tính

Hình 16 Biến thiên công suất chỉ thị theo tốc độ động cơ (s = 20 độ,  = 1)

4 KẾT LUẬN

Từ kết quả tính toán mô phỏng quá trình cháy nhiên liệu kép CNG-diesel, đồng thời xét ảnh hưởng các yếu tố vận hành trên đây, ta có thể rút ra những kết luận sau:

- Khi động cơ sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel chạy ở tốc độ 2000 v/p thì góc phun sớm tối ưu là 20 độ

- Nhiệt độ hỗn hợp trong buồng cháy trên đường giãn nở cũng tăng theo độ đậm đặc của hỗn hợp

- Khi hỗn hợp đậm đặc thì lượng hỗn hợp chưa cháy còn lại làm cho hàm lượng CO trong khí thải tăng

- Ở số vòng quay thấp tốc độ cháy ứng với mỗi góc quay trục khuỷu cao hơn so với ở tốc độ cao Tuy nhiên khi tốc độ động cơ cao, vận động xoáy lốc của dòng khí bên trong buồng cháy tăng mạnh, điều này giúp cải thiện tốc độ cháy nên sự khác biệt vị trí màng lửa giữa hai dải tốc độ này không lớn khi piston ở điểm chết trên

- Kết quả tính toán trên mô hình mô phỏng bằng phần mềm Fluent khi nồng độ O2 và CH4 ở cuối quá trình cháy rất thấp Mức độ phát thải giảm cho thấy CNG là nguồn nhiên liệu sạch, có ý nghĩa và ảnh hưởng lớn trong việc sử dụng làm nguồn nhiên liệu thay thế cho các động cơ nhiệt, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường Hướng nghiên cứu sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel cho thấy có tính khả thi và cần đầu tư nghiên cứu để đạt kết quả mong muốn

Để có thể nghiên cứu chính xác hơn cần đo áp suất chỉ thị trong xi lanh động cơ và so sánh với kết quả mô phỏng

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Bùi Văn Ga, Quá trình cháy trong Động cơ Đốt trong NXB Khoa học Kỹ thuật 1997 [2] Nguyễn Tất Tiến, Nguyên lý động cơ đốt trong, NXB Giáo dục, 2000

[3] Trần Thanh Hải Tùng, Đỗ Văn Dũng, Huỳnh Phước Sơn, Nguyễn Văn Long Giang, Thái

Huy Phát, Nghiên cứu chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu Common rail dùng nhiên liệu kép CNG-diesel trên động cơ Vikyno RV125-2 Tuyển tập công trình Hội nghị Khoa học

Cơ học Thủy khí toàn quốc, 2013

[4] Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Lê Xuân Thạch, Lê Minh Tiến, Trương Lê Bích Trâm, Trần

Thanh Hải Tùng, Nguyễn Thị Thanh Xuân, Động cơ biogas NXB Giáo dục Việt Nam,

2013

[5] Nguyễn Đình Quý, Ứng ḍng hh̀n m̀m lluent t́nh toán m hh̉ng uuá trình cháy động

cơ Vikyno RV125-2 sử ḍng nhiên liệu kéh CNG-Diesel Luận văn thạc sĩ 2014

[6] Ansys, GAMBIT 2.4 - Tutorial’s Guide, 2007

[7] Ansys, FLUENT 6.3 User's Guide, 2006

THÔNG TIN TÁC GIẢ

1 Nguyễn Đình Quý, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM

Email: ndquybkc4@gmail.com, 0905876239

2 Huỳnh Phước Sơn, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM

Email: sonhp@hcmute.edu.vn, 0903639 216