Mô phỏng quá trình cháy của động cơ phun xăng trực tiếp sử dụng nhiên liệu xăng ethanol

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT pth: áp suất sản vật cháy trên đường thải pk: áp suất môi chất ở trước xupap nạp Tk: nhiệt môi chất ở trước xupap nạp Tr: nhiệt độ khí sót pa: áp suất

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG

MÔ PHỎNG QUÁ 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

Đề tài này tập trung về việc tìm hiểu và thực hiện mô phỏng quá 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 toán và mô 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 mô phỏng quá trình cháy

Chương 3: Mô hình hóa 3D buồng cháy, lập quy trình tính toán và điều kiện biên mô

phỏng quá 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

mô hình buồng cháy bằng phần mềm Catia, xây dựng quy trình tính toán 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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

xăng-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 toán:

- Tổng quan về động cơ đánh lửa cưỡng bức phun xăng trực tiếp GDI

- Cơ sở lý thuyết

- Mô hình hóa 3D buồng cháy, lập quy trình tính toán và điều kiện biên mô

phỏng quá trình cháy động cơ Daewoo Nubira 1.6L DOHC

- Kết quả mô phỏng quá trình cháy của động cơ phun xăng trực tiếp sử dụng

nhiên liệu xăng-ethanol

5 Các bản vẽ, đồ thị:

3 Mô hình hình học buồng cháy 1/A3

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

Đà Nẵng, ngày 29 tháng 1 năm 2018

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, ngoài ra sử dụng nhiên liệu sinh học còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi 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: “ Mô phỏng quá 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 công suất động cơ và kiểm soát lượng phát thải ô nhiễm Qua thời gian thực hiện đồ án em đã có cơ hội học cách làm việc theo nhóm và ôn 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 còn hạn chế nên trong quá trình thực hiện không 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

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

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

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 Quá trình thải 23

2.2 Lí thuyết mô phỏng quá 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 hòa 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 Mô hình tính toán chu trình nhiệt động cơ đốt trong 27

2.2.3.1 Sơ đồ thuật toán tính nhiệt động học động cơ đốt trong 27

2.2.3.2 Mô hình 3D-CFD tính toán quá 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 Mô hình cháy hai khu vực ngọn lửa rối 36

Chương 3: MÔ HÌNH HÓA 3D BUỒNG CHÁY, LẬP QUY TRÌNH TÍNH TOÁN VÀ ĐIỀU KIỆN BIÊN MÔ PHỎNG QUÁ 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 toán lượng nhiên liệu xăng-ethanol cung cấp cho động cơ và hệ số tương đương 39

3.1.2.1 Tính toán 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 mô hình 3D buồng cháy, lập quy trình tính toán và điều kiện biên điểm mô 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 mô hình buồng cháy mô phỏng 43

3.2.3 Quy trình tính toán và điều kiện biên 45

3.2.3.1 Quy trình tính toán 45

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 vòi phun nhiên liệu trong động cơ 75

KẾT LUẬN 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 PHỤ LỤC

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 không 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 không 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 công của quá 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 n2 ’ trong quá trình giãn nở 22

Hình 2.5 Diễn biến quá trình thải trong động cơ bốn kỳ 23

Hình 2.6 Mô 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

Hình 2.8 Quasi-Dimensional Models 28

Hình 2.9 Sơ đồ truyền lửa ngọn lửa rối 29

Hình 2.10 Mô 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 mô hình hóa bằng ANSYS Fluent 42

Hình 3.3 Máy bay được mô hình hóa bằng ANSYS Fluent 42

Hình 3.4 Động cơ đốt trong được mô hình hóa bằng ANSYS Fluent 43

Hình 3.5 Mô hình hình học buồng cháy 44

Hình 3.6 Mô hình chia lưới buồng cháy trong Ansys 44

Hình 3.7 Thông số chia lưới tự động trong môi trường Ansys 45

Hình 3.8 Quy trình tính toán 46

Hình 4.1 Diễn biến áp suất trong quá 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 quá 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 quá trình cháy ở E30 59

Hình 4.18 Diễn biến khí thải CO2 trong quá 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

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 quá trình cháy (EDI-GPI) 68

Hình 4.31 Diễn biến khí thải CO2 trong quá 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 quá 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

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

pth: áp suất sản vật cháy trên đường thải

pk: áp suất môi chất ở trước xupap nạp

Tk: nhiệt môi chất ở trước xupap nạp

Tr: nhiệt độ khí sót

pa: áp suất môi chất cuối quá trình nạp

Ta: nhiệt độ môi chất cuối quá trình nạp

pz: áp suất cực đại trong quá trình cháy

Tz: nhiệt độ cực đại trong quá trình cháy ε: tỉ số nén

α (λ): hệ số dư lượng không khí ϕ: hệ số tương đương

gct: lượng nhiên liệu cung cấp cho động

cơ trong một chu trình n: tốc độ động cơ

Wk- tốc độ dòng khí tại cửa nạp vào của đường nạp

W- tốc độ dòng 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

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

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 hoá 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 mô phỏng quá 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 ôtô Nubira, có công suất 79 kW tại tốc độ 6000 vòng/phút

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài 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 công suất động cơ và kiểm soát lượng phát thải ô nhiễm

4 Phương pháp nghiên cứu

Mô phỏng quá 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

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

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 Công 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 không khí được trộn bên ngoài 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 luôn 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 soát 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 không khí trên nhiên liệu rất loãng đảm bảo cho động cơ cháy sạch, tiết kiệm nhiên liệu tối đa, giảm nồng độ khí thải ô 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

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 không khí phải được hòa 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

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 không 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 hòa 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 dòng 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

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 dòng nhiên liệu vào đỉnh bougie bằng hình dạng đỉnh piston (Wall- Guide)

- Hướng dòng nhiên liệu vào đỉnh bougie bằng chuyển động của dòng không 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

trong buồng đốt ở kỳ nén, đồng thời để nhiên liệu được phun tơi hòa trộn tốt với không 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; 5- Bougie; 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 hoàn 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 xuôi dòng của bộ chuyển đổi xúc tác ban đầu; 19- Cảm biến tốc độ; 20- ECU động cơ; 21- Giao diện CAN; 22- Đèn 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 xuôi dòng 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,

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 không khí/nhiên liệu được điều khiển bằng một bộ cảm biến lambda xuôi dòng 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 không 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 thô 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 không 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

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

Ngoài 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 không thể loại bỏ hoàn toàn trong quá 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 công 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:

Q tk =33,915 +c 126, 0 −h 10,89 o( nl − −s) 2,512 9( h+w , [) MJ kg/ ]

(1.1) Trong đó: 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]

❖ Tính bay hơi

Yêu 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 không hết, tạo muội than, làm loãng dầu nhờn gây hiện tượng mài mòn 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 công thức tính hoặc sử dụng bảng chuyển đổi:

d20 4=d t4+ (t−20)

(1.2) Trong đó : t – Nhiệt độ bất kỳ

 – Hệ số điều chỉnh tỷ trọng

❖ Tính chống kích nổ

Như vậy quá 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 toàn bộ thể tích xylanh, mà bắt đầu cháy từ bougie sau đó cháy lan dần ra toàn bộ thể tích xylanh, lúc

đó chu trình cháy kết thúc

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 không đúng chất lượng yêu cầu hoặc cấu tạo động cơ không được chuẩn xác hoặc điều kiện làm việc của động cơ không 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 không 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, hoà 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 công suất máy, tiêu hao năng lượng do máy cháy không hết, mài mòn 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, đòi 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 hòa khí bén lửa, nhiệt độ bén lửa phản ánh thành phần chưng cất nhẹ của xăng, là chỉ tiêu để đánh giá tính an toàn 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

ổn định hoá học của xăng bằng các chỉ tiêu chất lượng: hàm lượng nhựa thực tế và độ bền oxy hoá

Tính ổn định ôxy hoá: Tính ổn định oxy hoá được đánh giá bằng phương pháp đo

chu kỳ cảm ứng Chu kỳ cảm ứng là khoảng thời gian (đo bằng phút) mà trong xăng không xảy ra sự kết tủa và vẩn đục khi bị oxy hoá bởi oxy của không khí tại áp suất và nhiệt độ xác định

Ở một số nước còn quy định và khống chế chỉ tiêu hàm lượng olefin (% kl) để

biểu hiện cho tính ổn định hoá học của xăng Xăng có hàm lượng olefin cao thì tính ổn định hoá học kém

1.2.2 Cồn sinh học

Tính chất cồn gây hấp dẫn trong lĩnh vực nhiên liệu sinh học vì nó có thể trộn với xăng, dùng chung hệ thống phân phối và nạp liệu xăng, và chạy các động cơ dùng xăng hiện hành được Giới thiệu các tính năng phù hợp của butanol, có so sánh cồn và xăng

Bảng 1.1 So sánh một số tính chất của cồn so với xăng

Áp suất hơi Reid RVP dành cho hỗn

hợp rượu/xăng %/% và 10%, psi

+ Để so sánh, giá trị RVP của xăng mùa hè/mùa đông là <7,8/15

Những khác nhau về tính chất này đem lại cho cồn những ưu điểm chính sau:

- So với xăng, trị số Octan của cồn rất cao (104 ROZ) Vì vậy, việc pha cồn vào xăng thông dụng cũng sẽ có tác dụng nhất định trong việc hạn chế hiện tượng kích nổ Thực tế cho thấy, xăng pha cồn có trị số Octan cao hơn so với xăng gốc ban đầu

- Cồn có trị số Ron 106 do vậy tỷ số nén của động cơ sử dụng cồn đạt giới hạn cao hơn so với xăng Hỗn hợp xăng – cồn có trị số octan cao hơn xăng thông thường và

trị số này phụ thuộc vào tỷ lệ cồn trong hỗn hợp Như vậy, sử dụng hỗn hợp xăng-cồn đảm bảo được vấn đề chống kích nổ cho động cơ đánh lửa cưỡng bức

- Trong cồn có chứa cả Oxy (trong dầu mỏ hầu như không có chứa Oxy) mà tỷ

lệ % của O2 sẽ giảm khi số lượng nguyên tử C càng tăng Tức là nhiên liệu chứa O2 thì làm nhiệt trị giảm nhưng mà lượng không khí lý thuyết đốt cháy nhiên liệu ít đi so với lượng không khí lý thuyết khi dùng nhiên liệu dầu mỏ Cho nên tỷ lệ % O2 càng nhiều thì lượng không khí lý thuyết càng nhỏ Điều này dẫn đến nhiệt độ hỗn hợp của cồn với không khí gần bằng nhiệt trị hỗn hợp của dầu mỏ với không khí Nhiệt trị hỗn hợp là rất quan trọng khi xét đến việc sử dụng cồn làm nhiên liệu đốt trong

- Nhiệt trị khối lượng của cồn nhỏ hơn xăng và dầu diesel khoảng 1,64 lần Nhưng nhiệt trị hỗn hợp cồn + xăng + không khí chỉ nhỏ hơn nhiệt trị của hỗn hợp xăng + không khí khoảng 5% (do lượng không khí cần thiết đốt cháy 1kg ethanol ít hơn xăng khoảng 38%) Vậy khi xét hệ số dư lượng không khí như nhau thì khi dùng cồn làm nhiên liệu động cơ giảm công suất rất ít

Chương 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT

2.1 Chu trình làm việc của động cơ đánh lửa cưỡng bức [1]

Công suất, hiệu suất, độ tin cậy khi hoạt động và tuổi thọ của động cơ phụ thuộc vào mức độ hoàn hảo của chu trình làm việc Vì vậy cần nghiên cứu chi tiết các quá trình tạo nên chu trình làm việc để tìm ra quy luật diễn biến và phát hiện những yếu tố ảnh hưởng tới các quá trình đó, trên cơ sở đó xác định phương hướng nâng cao tính hiệu quả và tính kinh tế của động cơ

Chu trình làm việc của động cơ được đặc trưng bằng các thông số sau: áp suất chỉ thị trung bình pi; hiệu suất chỉ thị ŋi, áp suất cực đại và tốc độ tăng áp suất của môi chất khi cháy pz, ∆p/∆φ, nhiệt độ cực đại Tz và nhiệt độ cuối kỳ giãn nở của môi chất; áp suất

và nhiệt độ môi chất đầu quá trình thải

Chu trình làm việc của động cơ đốt trong gồm có các quá trình: Quá trình nạp, quá trình nén, quá trình cháy, quá trình giãn nở và quá trình thải

2.1.1 Quá trình nạp

2.1.1.1 Khái niệm chung và các thông số cơ bản

Trong chu trình làm việc của động cơ đốt trong cần thải sạch sản vật cháy của chu trình trước khi ra khỏi xilanh để nạp vào môi chất mới Hai quá trình thải và nạp liên quan mật thiết với nhau Vì vậy khi phân tích quá trình nạp cần lưu ý đến những thông

số đặc trưng của quá trình thải, tức là phải xét chung các hiện tượng của quá trình thay đổi môi chất

Trong động cơ bốn kỳ, quá trình thay đổi môi chất được thực hiện lúc bắt mở xupap thải (điểm b’, hình 2.1) Từ điểm b’ đến ĐCD (góc mở sớm xupap thải) nhờ chênh áp suất, sản vật cháy tự thoát ra đường đường thải, sau đó từ ĐCD tới ĐCT, nhờ sức đẩy cưỡng bức của piston sản vật cháy được đẩy tiếp Tại ĐCT (điểm r), sản vật cháy chứa đầy thể tích buồng cháy Vc với áp suất pr > pthải tạo ra chênh áp ∆pr (∆pr = pr – pth; trong

đó pth là áp suất khí trong trong ống thải) Chênh lệch ∆pr phụ thuộc vào hệ số cản, tốc

độ dòng khí qua xupap thải và vào trở lực của bản thân đường thải

Xupap thải thường được đóng sau ĐCT (đóng muộn) nhằm tăng thêm giá trị “tiết

diện-thời gian” mở cửa thải, đồng thời để tận dụng chênh áp ∆pr và quán tính của dòng khí thải tiếp tục thải sạch khí sót ra ngoài

Quá trình thực hiện môi chất mới vào xilanh được thực hiện khi piston đi từ ĐCT xuống ĐCD Lúc đầu (tại điểm r), do pr >pk (pk- áp suất môi chất mới ở trước xupap nạp) và pr > pth – một phần sản vật cháy trong thể tích Vc vẫn tiếp tục chạy ra ống thải; bên trong xilanh, khí sót giãn nở đến điểm r0 (bằng pk) rồi từ đó trở đi, môi chất mới có thể bắt đầu nạp vào xilanh

Hình 2.1 Phần đồ thị công của quá trình thay đổi khí trong động cơ bốn kỳ Lượng môi chất mới nạp vào xilanh trong mỗi chu trình động cơ phục thuộc nhiều

nhất vào chênh áp ∆pk = pk – pa (pa- áp suất trong xilanh cuối quá trình nạp tại a) Suốt

kỳ nạp áp suất trong xilanh đều thấp hơn pk, chênh áp ấy tạo nên dòng chảy của môi chất mới đi vào xilanh qua xupap nạp, nó phản ánh trở lực của xupap nạp đối với dòng chảy

Các thông số chính sau đây gây ảnh hưởng chính tới quá trình nạp:

❖ Áp suất cuối quá trình nạp pa:

Coi dòng chảy của môi chất mới qua xupap nạp vào xilanh là dòng chảy dừng không chịu nén Phương trình Bernoullie dung cho dòng chảy có dạng:

Trong đó: p a- áp suất trong xilanh động cơ tại xupap nạp

Wk- tốc độ dòng khí tại cửa nạp vào của đường nạp

W- tốc độ dòng khí qua xupap

0

 - hệ số cản của đường nạp quy dẫn về tốc độ W

Do Wk << W nên có thể bỏ qua Wk, từ (2.1) tìm được:

Khi tính toán nhiệt, áp suất pa được xác định nhờ số liệu thực nghiệm:

Với động cơ bốn kỳ không tăng áp: pa = (0,8 ÷ 0,9)pk

Với động cơ bốn kỳ tăng áp: pa = (0,9 ÷ 0,96)pk

Lượng khí sót: Cuối quá trình thải, trong xilanh còn lưu lại một ít sản vật cháy, được gọi là khí sót Trong quá trình nạp số khí sót sẽ giãn nở, chiếm chỗ trong xilanh và hòa trộn với khí nạp làm giảm lượng khí nạp mới

Nếu gọi Mr và Ml là số lượng khí sót và số lượng môi chất mới khi đốt 1kg nhiên liệu và ml là số lượng khí sót và số lượng môi chất mới của mỗi chu trình thì hệ số khí sót sẽ là:

.

ct r r

r

l ct r

g M m

 = = ( 2.3)

Trong đó: gct- lượng nhiên liệu cấp cho 1 chu trình (kg/chu trình)

Nhiệt độ sấy nóng môi chất mới của ∆T: Đi trên đường nạp vào xilanh, môi chất mới tiếp xúc với các bề mặt nóng của động cơ, được sấy nóng và tăng nhiệt độ lên một gia số ∆T

Giá trị của ∆T phụ thuộc vào tốc độ lưu động, thời gian tiếp xúc với bề mặt nóng và chênh lệch nhiệt độ của môi chất so với vật nóng Nếu nhiệt độ của môi chất mới tăng

sẽ làm giảm mật độ và do đó làm giảm khối lượng môi chất mới nạp vào động cơ Vì vậy trong động cơ xăng, số nhiệt lượng cần thiết để sấy nóng môi chất mới chỉ làm cho xăng dễ bay hơi trên đường nạp, nếu quá mức đó sẽ làm giảm lượng môi chất mới nạp vào động cơ Gia số ∆T của môi chất mới được tính như sau:

∆T = ∆Tt - ∆Tbh ( 2.4) Trong đó: ∆Tt – mức tăng nhiệt độ của môi chất mới do sự truyền nhiệt từ các bề

mặt nóng

∆Tbh – mức giảm nhiệt độ của môi chất mới do bay hơi của nhiên liệu Nhiệt độ môi chất cuối quá trình nạp Ta: Nhiệt độ môi chất cuối quá trình nạp Ta lớn hơn Tk và nhỏ hơn Tr là do kết quả của việc truyền nhiệt độ từ các bề mặt nóng tới môi chất khi tiếp xúc và việc hòa trộn của môi chất mới với khí sót nóng hơn Các quá trình trên diễn ra riêng lẻ trên đường nạp hoặc đồng thời trong xilanh động cơ

Trong đó: gct – lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình (kg/chu trình)

Ml – lượng môi chất thực tế đi vào xilanh để đốt cháy 1kg nhiên liệu (kmol/kg nhiên liệu)

Vk- thể tích khí nạp mới chứa trong xilanh, sau khi quy về điều kiện pk

2.1.2.1 Diễn biến và các thông số cơ bản của của trình nén

Quá trình nén của động cơ đốt trong có tác dụng như sau:

• Mở rộng phạm vi nhiệt độ của quá trình làm việc (nén, cháy và giãn nở)

• Đảm bảo cho sản vật cháy được giãn nở sinh công triệt để

• Tạo điều kiện thuân lợi nhất cho hòa khí bốc cháy

Tất cả những điều kiện trên nhằm đảm bảo cho quá trình chuyển biến từ hóa năng của nhiên liệu thành nhiệt năng, rồi từ nhiệt năng chuyển thành công có ích được thực hiện tốt nhất, làm tăng hiệu suất của chu trình

Khác với quá trình nén của chu trình khí lý tưởng, diễn biến quá trình nén của chu trình thực tế rất phức tạp Giữa môi chất công tác và thành xilanh luôn luôn trao đổi nhiệt qua lại với nhau

Đầu quá trình nén nhiệt độ môi chất Ta (hình 2.2) thấp hơn nhiệt độ trung bình của xilanh, piston, nắp xilanh… nên các chi tiết nóng kể trên truyền nhiệt cho môi chất, vì vậy đường nén trong giai đoạn này (2) dốc hơn đường nén đoạn nhiệt của chu trình lý tưởng (1) Nếu coi quá trình nén thực tế là một quá trình đa biến, với chỉ số đa biến n’1

thì phương trình đặc trưng của quá trình sẽ là: pVn1 = const, giá trị n’1 ở đầu quá trình nén lớn nhất vì chênh lệch nhiệt độ lớn giữa các chi tiết nóng và môi chất khiến môi chất vừa chịu nén vừa nhận nhiệt thêm Tiếp theo piston càng nén càng làm tăng nhiệt

độ môi chất trong xilanh và làm cho chênh lệch nhiệt độ giữa các chi tiết nóng và môi chất giảm dần, môi chất được nhận nhiệt càng ít làm cho quá trình nén càng gần với quá trình đoạn nhiệt và chỉ số nén n’1 tiến sát tới chỉ số đoạn nhiệt k1 Tới một điểm nào đó nhiệt độ môi chất bằng nhiệt độ trung bình của vách xilanh, kết quả làm cho đường nén thực tế (3-c) ít dốc hơn so với đường nén đoạn nhiệt (3-4); chỉ số nén n’1 càng ngày càng nhỏ hơn k1

Hình 2.2 Đồ thị p-V phân tích các đường cong đặc trưng trạng thái của quá trình nén Như vậy, quá trình nén thực tế của động cơ là một quá trình đa biến với chỉ số đa biến n’1 giảm dần từ đầu đến cuối quá trình

Áp suất cuối quá trình nén pc được xác định theo phương trình của quá trình nén đa biến: p V a a n1 = p V c c n1 ( 2.6) Suy ra:

2.1.2.2 Những yếu tố gây ảnh hưởng đến n 1 trung bình:

• Tốc độ động cơ: Khi tăng số vòng quay sẽ làm tăng số chu trình trong 1 giây, qua

đó làm tăng trạng thái nhiệt của các chi tiết trong xilanh, giảm thời gian rò khí và thời gian tiếp xúc giữa môi chất và thành xilanh Kết quả tổng hợp những thay đổi trên sẽ làm môi chất tản nhiệt ít hơn, làm cho n1 tiến sát tới k1 Như vậy tăng tốc độ sẽ làm tăng

n1

• Phụ tải của động cơ: Khi tăng tải sẽ làm tăng trạng thái nhiệt và nhiệt độ trung bình của thành xilanh, qua đó làm tăng nhiệt độ cấp cho môi chất ở đầu kỳ nén và giảm nhiệt ở cuối kỳ nén, kết quả sẽ làm tăng n1

• Tình trạng kỹ thuật: Nếu piston-xilanh mòn nhiều sẽ tăng lọt khí, gây mất nhiệt làm giảm n1 Có muội than bám trên đỉnh piston, mặt nắp xilanh, có lớp cặn bám trên mặt tiếp tiếp xúc với môi chất làm mát của xilanh sẽ ngăn tản nhiệt độ của môi chất, làm tăng n1

D, do đó tăng D sẽ làm môi chất khó tản nhiệt hơn qua đó làm tăng n1

• Chế độ làm việc của động cơ: các chế độ làm việc không dừng (chế độ chuyển tiếp) của động cơ khi tăng tải hoặc tăng tốc đều có n1 nhỏ hơn so với chế độ dừng Sự sai khác lớn hay nhỏ của n1 phục thuộc và giá trị gia tốc, ở các chế độ giảm tải hoặc giảm tốc thì n1 lớn hơn so với chế độ dừng

2.1.3 Quá trình cháy

Quá trình cháy động cơ châm cháy cưỡng bức đều bắt đầu từ cực bougie, tạo nên màng lửa rồi lan truyền với tốc độ tăng dần theo mọi hướng tới khi đốt hết hòa khí Có nhiều phương pháp nghiên cứu quá trình cháy trong buồng cháy động cơ, thường dùng nhất là vẽ đồ thị công p-, tức là đồ thị thể hiện biến thiên của áp suất p trong xilanh theo góc quay  trục khuỷu Phương pháp này tuy không rõ cơ lý của quá trình cháy cũng như tình hình lan truyền màng lửa, nhưng cho biết rõ hiệu quả thực tế của quá trình, về mặt kĩ thuật thì đây là một phương pháp hữu hiệu đơn giản

Ngoài phương pháp xác định đồ thị công p = f(), người ta còn dùng phương pháp chụp ảnh nhanh quá trình cháy: dựa vào một dãy các bức ảnh liên tiếp chụp được sẽ biết tình hình tiến triển của quá trình cháy trong xilanh Đồ thị p- điển hình của quá trình cháy bình thường thể hiện trên hình 2.3

Hình 2.3 Quá trình cháy của động cơ xăng đánh lửa cưỡng bức

I- Cháy trễ; II- Cháy nhanh; III- Cháy rớt; 1- Đánh lửa; 2- Hình thành màng lửa trung

tâm; 3- Áp suất lớn nhất pz Dựa vào đặc trưng biến thiên áp suất trên đồ thị p-, người ta chia quá trình cháy của động cơ châm cháy cưỡng bức thành ba thời kì:

❖ Thời kì cháy trễ I (từ điểm 1 đến điểm 2)

Tính từ lúc đánh lửa đến khi áp suất p tăng đột ngột Trong thời kì này áp suất trong xilanh thay đổi tương tự như trường hợp không đánh lửa, thời kì này được tính từ lúc bắt đầu đánh lửa, qua một thời gian ngắn đến lúc xuất hiện nguồn lửa được gọi là màng lửa trung tâm Thời điểm xuất hiện màng lửa trung tâm không nhất thiết trùng với thời điểm tăng đột ngột của áp suất p Thông thường màng lửa trung tâm xuất hiện trước một chút so với thời điểm tăng đột ngột của p

Phân tích thời kì cháy trễ thấy rằng, sau khi bugi đã bật tia lửa điện, hòa khí trong xilanh không cháy ngay mà phải thực hiện một loạt phản ứng sơ bộ tạo nên sản vật trung gian…Trong thời kì này nhiệt lượng nhả ra của các phản ứng rất nhỏ, vì vậy không thấy

rõ sự khác biệt của nhiệt độ và áp suất so với trường hợp không đánh lửa

Thời kì cháy trễ dài hay ngắn phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tính chất, trạng thái (áp suất, nhiệt độ) của hòa khí trước khi đánh lửa, năng lượng của tia điện…

❖ Thời kì cháy nhanh II (từ điểm 2 đến điểm 3)

Thời kì này cũng tương ứng với thời kì lan truyền của màng lửa tính từ lúc xuất hiện màng lửa trung tâm tới khi màng lửa lan truyền khắp buồng cháy Màng lửa của động cơ châm cháy cưỡng bức hầu hết là màng lửa chảy rối Trong quá trình lan truyền, màng lửa có dạng mặt cầu nhấp nhô lồi lõm Trong thời kì này màng lửa được lan truyền với tốc độ tăng dần, hòa khí trong xilanh có phản ứng oxy hóa ngày một mãnh liệt và nhả ra một số nhiệt lượng lớn, trong khi dung tích xilanh thay đổi ít làm cho áp suất và nhiệt độ môi chất tăng nhanh

Thời kì cháy nhanh là giai đoạn chính trong quá trình cháy hòa khí của động cơ xăng, phần lớn nhiệt lượng được nhả ra trong giai đoạn này; quy luật nhả nhiệt sẽ quyết định việc tăng áp suất, tức là quyết định khả năng đẩy piston sinh công, vì vậy thời kì này có ảnh hưởng quyết định tới tính năng của động cơ xăng

Nhìn từ khía cạnh nâng cao hiệu suất nhiệt của chu trình, thì cần thời gian cháy càng nhanh càng tốt Muốn rút ngắn thời gian cháy phải nâng cao tốc độ cháy, làm cho áp suất cực đại và nhiệt độ cực đại xuất hiện tại vị trí gần sát ĐCT, khiến số lượng nhiệt lượng nhả ra được lợi dụng đầy đủ, làm tăng công suất và hiệu suất động cơ

❖ Thời kì cháy rớt III (từ điểm 3 trở đi)

Mặc dù cuối thời kì II màng lửa đã lan khắp buồng cháy, nhưng do hòa khí phân

bố không đều, điều kiện áp suất và nhiệt độ ở mọi khu vực trong buồng cháy không hoàn toàn giống nhau, nên có những khu vực nhiên liệu chưa cháy hết Trong quá trình giãn

nở, do điều kiện hòa trộn thay đổi sẽ làm cho số nhiên liệu chưa cháy được hòa trộn và bốc cháy tiếp tạo nên thời kì cháy rớt

Trong thời kì này, nhiệt lượng nhả ra tương đối ít, dung tích động cơ lại tăng nhanh nên áp suất trong xilanh sẽ giảm dần theo góc quay trục khuỷu Thời kì cháy rớt dài hay ngắn là tùy thuộc vào số lượng hòa khí cháy rớt, nhìn chung đều mong muốn rút ngắn thời kì cháy rớt Nhưng cũng có trường hợp cháy rớt còn kéo dài sang cả quá trình thải, thậm chí đến khi bắt đầu quá trình nạp của chu kì kế tiếp, khí thải đang cháy còn chui vào đường nạp đốt cháy hòa khí tại đây, đó là hiện tượng hồi hỏa của động cơ xăng (nổ trên đường nạp) Nói chung thời kì cháy rớt của động cơ xăng thường ngắn

2.1.4 Quá trình giãn nở

Trong quá trình giãn nở, trao đổi nhiệt giữa môi chất và môi trường diễn ra liên tục Các hiện tượng cấp thêm nhiệt cho môi chất cũng như hiện tượng gây mất nhiệt của môi chất biểu hiện rất phức tạp, gồm có: hiện tượng cháy rớt của hòa khí, hiện tượng phân giải của sản vật cháy khi nhiệt độ cao và tái hợp trở lại khi nhiệt độ môi chất giảm, tản nhiệt từ môi chất cho thành xilanh, rò khí từ xilanh ra ngoài các khe hở piston, xéc-măng

Đầu quá trình giãn nở, còn nhiều nhiên liệu cháy rớt, lúc đầu do nhiệt độ quá nóng sản vật cháy cuối cùng bị phân giải gây mất nhiệt, nhưng sau đó khi nhiệt độ giảm dần lại tái hợp trở lại, và cấp nhiệt cho môi chất, trong khi đó phần mất do rò khí và tản nhiệt cho thanh xilanh còn thấp Như vậy giai đoạn đầu quá trình giãn nở được diễn ra trong điều kiện vừa giãn nở vừa được cấp nhiệt làm cho đường giãn nở thực tế phẳng hơn so với đường đoạn nhiệt và giá trị n2 ’ < k2 (hình 2.5)

Piston đi xuống, càng cách xa ĐCT, các hiện tượng cháy rớt và tái hợp các phần phân giải sản vật cháy càng giảm, trong khi phần tản nhiệt cho nước làm mát lại tăng dần, trong điều kiện ấy, phần nhiệt cấp cho môi chất càng giảm nhanh, và làm tăng độ dốc của đường giãn nở (tăng n2 ’) Tại một vị trí nào đó của piston, số nhiệt lượng do cháy rớt tạo ra vừa cân bằng với nhiệt lượng tản ra bên ngoài (n2 ’ = k2)

Sau vị trí vừa xét, piston càng đi xuống càng gần ĐCD, phần mất nhiệt của môi chất càng trở nên nhiều hơn Vì vậy thời kỳ này môi chất vừa giãn nở vừa mất nhiệt làm cho đường giãn nở thực tế dốc hơn đường đoạn nhiệt và n2 ’ > k2

Như vậy, quá trình giãn nở thực tế là quá trình đa biến với trị số n2 ’ liên tục tăng từ đầu đến cuối quá trình Mục đích tính quá trình giãn nở nhằm xác định lượng công tạo

ra trong quá trình và xác định các thông số cuối quá trình Để đạt mục đích trên và tránh những khó khăn phức tạp không cần thiết mà vẫn đảm bảo được độ chính xác mong muốn, dùng chỉ số giãn nở đa biến trung bình n2 thay cho các trị số tức thời của n2 ’

Hình 2.4 Diễn biến thực tế của áp suất p và chỉ số giãn nở n2 ’ trong quá trình giãn nở Các thông số đầu quá trình giãn nở là pz, Tz, Vz, mz, các thông số cuối quá trình là

pb,Tb ,Vb, mb Muốn xác định mối quan hệ giữa chúng, dùng phương trình trạng thái của môi chất tại các điểm z và b Quá trình giãn nở từ z đến b ta có:

Công tiêu hao cho quá trình thay đổi môi chất được thể hiện bằng diện tích đồ thị

p-V giữa đường nạp và đường thải Nếu đường thải nằm cao hơn đường nạp (động cơ không tăng áp hình 2.5a) thì công tiêu hao cho thời kỳ thay đổi môi chất là công âm Nếu đường thải thấp hơn đường nạp (động cơ tăng áp hình 2.5b) thì đó là công dương

Hình 2.5 Diễn biến quá trình thải trong động cơ bốn kỳ (a)- Động cơ không tăng áp pr > pk; (b)- Động cơ tăng áp pr < pk

2.2 Lí thuyết mô phỏng quá trình cháy của động cơ đốt trong

2.2.1 Chu trình nhiệt động động cơ đốt trong

Chu kỳ nhiệt động học của động cơ đốt trong là một quá trình chuyển đổi năng lượng từ hóa học của nhiên liệu thành năng lượng cơ học, trong đó năng lượng trung gian là năng lượng nhiệt Do đó, chu trình nhiệt động lực của sự đốt cháy trong động cơ đốt trong có thể được xem như một hệ thống nhiệt động học mở có sự trao đổi chất, trao đổi nhiệt và trao đổi công với môi trường bền ngoài [5] như thể hiện trên hình 2.6

Hình 2.6 Mô hình hệ nhiệt động học mở động cơ đốt trong Trên cơ sở định luật nhiệt động học I (2.14) và phương trình trạng thái (2.15), có thể xác định nhiệt độ (2.16) và áp suất (2.17) môi chất trong xilanh thông qua quy luật trao đổi chất và trao đổi nhiệt của môi chất với môi trường bên ngoài [5]

Để xác định được biến thiên của nhiệt độ (T ) và áp suất ( p ) cần phải biết được

biến thiên của thể tích xilanh ( V ), biến thiên lượng môi chất trong xilanh ( j j

j

m h

 ), biến thiên trao đổi nhiệt với thành buồng cháy (Qw) và hệ số tương đương của hỗn hợp không

khí nhiên liệu ( ) Đây chính là điều kiện biên của mô hình, việc xác định gặp nhiều khó khăn và thường phải kết hợp với thực nghiệm

Trong trường hợp cụ thể, các phương trình trên có thể được đơn giản thành phần

phụ Đối với các hệ thống nạp và thải, V bằng 0 và thường bỏ qua biến thiên   , u/ p/ p

h

  và   Đối với xi lanh trong quá trình nén V xác định theo quy luật động R/ phọc của động cơ và có thể bỏ qua biến thiên   , / pu/ p   , và h   Riêng đối với R/ pquá trình cháy cần phải xem xét đến mô hình đánh lửa được sử dụng Mô hình đơn vùng thường được sử dụng trong mô phỏng động cơ diesel toàn bộ buồng cháy được coi là một không gian thống nhất Mô hình hai khu được sử dụng để mô phỏng động cơ đánh lửa cưỡng bức, vùng hỗn hợp chưa cháy và vùng hỗn hợp cháy được coi là hai không gian tách biệt, với thể tích tương ứng là Vu và Vb, với Vu + Vb = V

2.2.2 Cơ sở xác định các thông số hòa khí

2.2.2.1 Hệ số tương đương  [5]

11

2.2.2.2 Quy luật truyền nhiệt [5]

Qwlà tổng nhiệt truyền vào hệ thống, qua mặt biên của hệ thống, và bằng tổng của

tỷ lệ truyền nhiệt trên mỗi phần của biên

i

Q =  Q =  A h T − T ( 2.19)

2.2.2.3 Quy luật trao đổi chất [5]

Quy luật trao đổi chất được xác định thông qua sự kết hợp giữa động học cơ cấu piston thanh truyền với động học xupap nạp và xupap thải các quy luật này thường được biểu diễn bằng các profile quan hệ giữa chuyển vị của piston, xupap nạp, xupap thải

theo góc quay trục khuỷu Đồng thời quy luật cung cấp nhiên liệu, tính chất nhiên liệu quyết định trạng thái hỗn hợp

Thể tích chứa môi chất công tác (V) được hình thành từ không gian giới hạn bởi nắp máy, thành xilanh và đỉnh piston Khi động cơ hoạt động, piston dịch chuyển từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới và ngược lại, lúc đó thể tích V thay đổi từ thể tích nhỏ nhất Vc (khi piston ở điểm chết trên) đến Va (khi piston ở điểm chết dưới) Thể tích công tác, thể tích buồng cháy và thể tích chứa môi chất tại thời điểm t được xác định thông qua các biểu thức từ (5) đến (7):

4

π.D V

2

h c

VV

ε 1

=

2 x

 = .t – Góc quay của trục khuỷu  = n/30 - vận tốc góc trung bình của trục khuỷu động cơ

n – tốc độ động cơ

2.2.2.4 Nhiệt động học của tia phun

Bay hơi nhiên liệu phụ thuộc vào việc truyền nhiệt giữa nhiệt độ không khí xung quanh và hạt nhiên liệu Khi truyền nhiệt bức xạ không đáng kể, sự trao đổi nhiệt đối lưu giữa không khí và hạt nhiên liệu có thể được viết như sau:

mp.cp.(dTp/dt)=h.Ap.(T-Tp)+dmp/dt.hfg (2.22)

Trong đó: cp là nhiệt dung riêng của hạt nhiên liệu (J/kg.K), Tp là nhiệt độ hạt (K), h là

hệ số truyền nhiệt đối lưu (W/m2K), AP là diện tích bề mặt của hạt (m2), T là nhiệt độ pha liên tục (K), dmp/dt là tốc độ bay hơi (kg/s), hfg là nhiệt ẩn bay hơi (J/kg)

2.2.2.5 Nhiệt động môi chất