Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ảnh hưởng cả b10, e10 và m10 tới trạng thái nhiệt của ống lót xi lanh động cơ

Sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc sinh học bio-based fuels trong động cơ diesel là một giải pháp hiệu quả nhằm giảm phát sinh các thành phần độc hại trong khí xả.. - Xây dựng mô hình động

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-

NGUYỄN TRỌNG QUÝ

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA B10, E10 VÀ M10 TỚI TRẠNG THÁI NHIỆT CỦA ỐNG LÓT XI LANH ĐỘNG CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU CỒN - DIESEL

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực

Thái Nguyên - Năm 2018

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, Phòng Đào tạo và Khoa kỹ thuật Ô tô và Máy động lực đã cho phép tôi thực hiện luận văn này Xin cảm ơn Phòng Đào tạo và Khoa kỹ thuật Ô tô và Máy động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi học tập và làm luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Trung Kiên đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận văn

Tôi xin cảm ơn lãnh đạo, các đồng nghiệp tại Cơ quan nơi tôi công tác đã tạo điều kiện và động viên tôi trong suốt quá trình học tập

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận văn đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận văn này

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi học tập

Tuy nhiên do còn có hạn chế về thời gian cũng như kiến thức của bản thân nên

đề tài của tôi có thể còn nhiều thiếu sót Tôi rất mong nhận được sự góp ý để luận văn được hoàn thiện hơn

Học viên

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ viii

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích của đề tài 3

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

* Ý nghĩa khoa học: 3

* Ý nghĩa thực tiễn: 4

4 Đối tượng nghiên cứu 4

5 Phương pháp nghiên cứu 4

6 Phạm vi nghiên cứu 4

7 Nội dung nghiên cứu 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 5

1.1 Các nguồn năng lượng toàn cầu và tình trạng năng lượng hiện tại 5

1.2 Yêu cầu cơ bản của nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong 6

1.3 Nhiên liệu thay thế 7

1.3.1 Phân loại 7

1.3.2 Giới thiệu về nhiên liệu sinh học 9

1.3.3 Các loại nhiên liệu khác 12

1.4 Viễn cảnh sử dụng nhiên liệu cho động cơ đốt trong 14

1.5 Tổng quan về truyền nhiệt trong động cơ đốt trong 15

1.5.1 Truyền nhiệt trong động cơ 15

1.5.2 Các mô hình truyền nhiệt 16

1.5.2.1 Trao đổi nhiệt dẫn nhiệt 16

1.5.2.2 Trao đổi nhiệt đối lưu 18

1.5.2.3 Trao đổi nhiệt bức xạ 19

1.5.2.4 Quá trình trao đổi nhiệt tổng quát trong động cơ 20

1.6 Các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến nội dung đề tài 21

1.7 Kết luận chương 1 23

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG 24

BẰNG PHẦN MỀM GT-POWER 24

2.1 Giới thiệu phần mềm GT-Power 24

2.1.1 Giới thiệu chung 24

2.1.2 Cửa sổ giao diện chính 25

2.2 Thư viện các phần tử của GT-Power 26

2.3 Mô hình động cơ V12 33

2.3.1 Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình động cơ 33

2.3.2 Xây dựng mô hình 36

2.3.3 Nhập dữ liệu cho mô hình 37

2.4 Chạy mô hình (Run Simulation) 41

2.5 Kết luận chương 2 41

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ V12 42

VÀ TRẠNG THÁI NHIỆT ỐNG LÓT XILANH 42

THEO CÁC LOẠI NHIÊN LIỆU KHẢO SÁT 42

3.1 Kết quả tính toán các chỉ tiêu công tác của động cơ V12 42

3.2 Hệ số truyền nhiệt và nhiệt độ của môi chất công tác khi sử dụng các nhiên liệu D100, B10, E10 và M10 47

3.3 Tính toán trường nhiệt độ ống lót xi lanh động cơ V12 khi sử dụng D100, B10, E10 và M10 49

3.3.1 Mô hình hình học ống lót xi lanh động cơ V12 49

3.3.2 Các giả thiết và điều kiện biên của mô hình tính toán 50

3.4 Kết luận chương 3 62

KẾT LUẬN CHUNG 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 PHỤ LỤC 68

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Phân loại nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong 8

Bảng 2.1 Các phần tử chính của mô hình động cơ V12, [30] 37

Bảng 2.2 Các thông số đầu vào động cơ V12 sử dụng trong mô hình, [30] 39

Bảng 3.1 Kết quả tính toán các chỉ tiêu công tác của động cơ V12 43

Bảng 3.2 Kết quả tính toán và so sánh với số liệu của nhà sản xuất 44

theo đặc tính ngoài động cơ V12 [30] 44

Bảng 3.3 Một số tính chất cơ bản của D100, B10, E10 và M10 [25], [29] 45

Bảng 3.4 Các chỉ tiêu công tác của động cơ V12 46

khi sử dụng nhiên liệu D100, B10, E10 và M10 46

Bảng 3.5 Thuộc tính vật liệu chế tạo ống lót xi lanh động cơ V12, [30] 52

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Kịch bản đa dạng hóa nhiên liệu ở châu Âu [8] 6

Hình 1.2 Các loại nhiên liệu thay thế dùng cho động cơ đốt trong [8] 14

Hình 1.3 Sơ đồ phân bố nhiệt độ và dòng nhiệt 20

ngang thành vách buồng cháy 20

Hình 1.4 Sơ đồ truyền nhiệt đối lưu tới thành buồng cháy, [2] 20

Hình 2.1 Cửa sổ giao diện GT-Power 26

Hình 2.2 Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử xy lanh 27

Hình 2.3 Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử cơ cấu phân phối khí 28

Hình 2.4 Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử vòi phun 29

Hình 2.5 Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử các thông số động cơ 30

Hình 2.6 Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử đường ống 31

Hình 2.7 Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử dòng phân chia 32

Hình 2.8 Các vùng của tia phun và quy luật đánh số các vùng, [2], [9] 34

Hình 2.9 Hệ số trao đổi nhiệt theo góc quay trục khuỷu tính toán 36

theo phương trình của Woschni và Hohenberg, [2] 36

Hình 2.10 Mô hình động cơ V12 37

Hình 3.1 Kết quả tính toán Me, Gnl và so sánh với số liệu của nhà sản xuất 44

theo đặc tính ngoài của động cơ V12, [30] 44

Hình 3.2 Diễn biến nhiệt độ môi chất trong xi lanh động cơ 48

khi sử dụng các nhiên liệu D100, B10, E10 và M10 48

Hình 3.3 Hệ số truyền nhiệt từ môi chất tới thành vách buồng cháy 48

khi sử dụng các nhiên liệu D100, B10, E10 và M10 48

Hình 3.4 Mô hình hình học của ống lót xi lanh động cơ V12 50

Hình 3.5 Mô hình 2 miền xi lanh động cơ V12 53

Hình 3.6 Mô hình trao đổi nhiệt của ống lót xi lanh động cơ V12 57

Hình 3.7 Trường nhiệt độ ống lót xi lanh khi sử dụng nhiên liệu D100 60

Hình 3.8 Trường nhiệt độ ống lót xi lanh khi sử dụng nhiên liệu E10 60

Hình 3.9 Trường nhiệt độ ống lót xi lanh khi sử dụng nhiên liệu B10 61

Hình 3.10 Trường nhiệt độ ống lót xi lanh khi sử dụng nhiên liệu M10 61

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay, cùng với sự tăng trưởng về số lượng xe cơ giới là sự gia tăng ô nhiễm môi trường do khí thải độc hại từ động cơ của các phương tiện Nguồn ô nhiễm này gây ảnh hưởng lớn tới sức khỏe và cuộc sống của con người, đặc biệt

là ở các thành phố lớn có mật độ xe cơ giới và mật độ dân cư cao Một trong các giải pháp nhằm giải quyết vấn đề này là sử dụng các loại nhiên liệu thay thế, nhiên liệu sinh học có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường Do đó, việc nghiên cứu và ứng dụng nhiên liệu sinh học trên các loại phương tiện trong giai đoạn hiện nay là điều cần thiết

Việc nghiên cứu phát triển và ứng dụng các loại nhiên liệu thay thế đang là

xu hướng chung của nhiều nước trên thế giới nhằm làm giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, đảm bảo an ninh năng lượng cũng như giảm tác động tới môi trường đặc biệt là khí gây hiệu ứng nhà kính Động cơ cháy do nén (động cơ diesel) được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: nông nghiệp, giao thông vận tải, máy phát điện… do ưu điểm nổi bật là hiệu suất cao; tuy nhiên trong sản phẩm cháy lại chứa nhiều thành phần độc hại với con người và môi trường đặc biệt là ô xít ni tơ (NOx) và chất ô nhiễm dạng hạt (PM - Particulate Matter) Sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc sinh học (bio-based fuels) trong động cơ diesel là một giải pháp hiệu quả nhằm giảm phát sinh các thành phần độc hại trong khí xả Một trong số

đó, nhiên liệu cồn (alcohol) là một trong những nhiên liệu tiềm năng nhằm giảm phát thải và sự lệ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch Alcohol là loại nhiên liệu phù hợp để pha trộn với nhiên liệu diesel, do bản chất nó là nhiên liệu lỏng và chứa hàm lượng ô xi cao Trong các loại nhiên liệu alcohol, các nhiện liệu alcohol chứa hàm lượng các bon thấp (chứa 3 hoặc ít hơn 2 nguyên tố cacbon) như methanol

và ethanol hiện được coi là những nhiên liệu pha trộn với nhiên liệu diesel khoáng nhận được nhiều sự quan tâm do ưu điểm về công nghệ sản xuất và có hàm lượng

ô xi cao, do đó cải thiện đáng kể đặc tính cháy và đặc tính phát thải Tuy nhiên,

do số cetane thấp và nhiệt ẩn bay hơi cao cũng như vấn đề hòa trộn làm cản trở

việc sử dụng các alcohol có hàm lượng các bon thấp làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel Nhiên liệu alcohol có hàm lượng các bon cao (chứa từ 4 nguyên

tố các bon trở lên) có nhiều triển vọng làm nhiên liệu thay thế hơn so với nhiên liệu alcohol hàm lượng các bon thấp do chúng có số cetane và nhiệt trị cao hơn cũng như khả năng hòa trộn tốt hơn

Hiện nay có 4 phương pháp phổ biến nhất để hình thành lên chế độ vận hành lưỡng nhiên liệu cồn - diesel (alcohol - diesel) trong động cơ cháy do nén,

đó là:

1 Phun hơi cồn (Alcohol Fumigation): trong phương pháp này, nhiên liệu alcohol

được đưa vào đường ống nạp của động cơ thông qua vòi phun hoặc chế hòa khí

2 Pha trộn cồn - diesel (alcohol - diesel blend): trong phương pháp này, nhiên

liệu alcohol và diesel được hòa trộn theo tỷ lệ nhất định trước để tạo thành hỗn hợp đồng nhất và sau đó được phun trục tiếp vào xi lanh thông qua các vòi phun

3 Nhũ tương cồn - diesel (Alcohol - diesel emulsification): theo phương pháp này,

sử dụng chất chuyển thể sữa để hòa trộn hỗn hợp nhiên liệu nhằm ngăn chặn sự phân ly

4 Phun kép (Dual injection): theo đó, sử dụng 2 hệ thống phun riêng rẽ để phun

nhiên liệu cồn và diesel vào xi lanh

Trong đó phương pháp phun hơi cồn vào đường nạp và pha trộn cồn - diesel được sử dụng phổ biến hơn cả Đã có nhiều công trình nghiên cứu về ảnh hưởng của của tỷ lệ cồn đến hiệu suất, đặc tính cháy và đặc tính phát thải của động cơ diesel [11  29], tuy nhiên các công trình này chỉ trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm; một số ít trình bày về mô phỏng số nhưng các thuật toán và chương trình mô phỏng không được giới thiệu chi tiết; chính vì vậy, mô phỏng đặc tính của loại động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel là cần thiết để làm chủ công nghệ, cũng như ứng dụng vào thực tiễn tại Việt Nam nhằm giảm ô nhiễm môi trường từ các động cơ diesel đang lưu hành Như ta đã biết, do tốc độ tỏa nhiệt của hỗn hợp cồn - diesel lớn hơn so với nhiên liệu diesel truyền thống do thời gian cháy trễ kéo dài hơn và do nhiên liệu alcohol có chứa hàm lượng ô xi cao; tuy nhiên vấn đề

này chưa thấy đề cập trong các công trình nghiên cứu gần đây, do đó nghiên cứu ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu cồn - diesel tới trạng thái nhiệt của các chi tiết

bao quanh buồng cháy là cần thiết Chính vì vậy, tác giả lựa chọn đề tài: “Nghiên

cứu ảnh hưởng của B10, E10 và M10 tới trạng thái nhiệt của ống lót xi lanh động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel” làm đề tài luận văn cao học của mình

- Xây dựng mô hình động cơ lưỡng nhiên liệu (bằng phần mềm GT-Power) và

mô hình tính toán trạng thái nhiệt ống lót xi lanh bằng phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên phần mềm ANSYS;

- Trên cơ sở mô hình, tác giả đánh giá ảnh hưởng của 3 loại nhiên liệu diesel sinh học B10, E10 và M10 đến các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của động cơ, cũng như đánh giá sự ảnh hưởng của chúng tới trạng thái nhiệt của ống lót xi lanh

- Trên cơ sở kết quả mô phỏng số đưa ra một số kết luận và kiến nghị

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

* Ý nghĩa khoa học:

Luận văn đã góp phần đánh giá được quá trình hình thành hỗn hợp và cháy của nhiên liệu diesel sinh học B10, E10 và M10 trong động cơ cháy do nén thông qua các mô hình mô phỏng được xây dựng trên phần mềm GT-Power Từ các mô hình này, có thể khảo sát ảnh hưởng của diesel sinh học ở các tỷ lệ khác nhau đến đặc tính cháy, các thông số kinh tế - kỹ thuật và phát thải của động cơ được khảo sát Đây là cơ sở lý thuyết cho việc so sánh với thực nghiệm để từ đó có thể đề xuất kiến nghị sử dụng nhiên liệu cồn - diesel cho động cơ ở tỷ lệ thích hợp cũng như kiến nghị điều chỉnh các thông số vận hành một cách phù hợp khi sử dụng các loại nhiên liệu alcohol với các tỷ lệ khác nhau

* Ý nghĩa thực tiễn:

- Các mô hình xây dựng trong luận văn có thể tham khảo cho quá trình đào tạo chuyên sâu liên quan đến vận hành động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel cho động cơ cháy do nén;

- Chương trình khảo sát trạng thái nhiệt ống lót xi lanh có thể sử dụng làm

cơ sở cho các mục đích tương tự;

- Kết quả của luận văn là cơ sở lý thuyết cho việc so sánh với kết quả thực nghiệm khi nghiên cứu về động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel

4 Đối tượng nghiên cứu

Động cơ V12, diesel 4 kỳ, 12 xi lanh bố trí chữ V

5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết: xây dựng mô hình động cơ lưỡng nhiên liệu (bằng phần mềm GT-Power) và mô hình tính toán trạng thái nhiệt ống lót xi lanh dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn (ANSYS), mô phỏng và phân tích kết quả;

6 Phạm vi nghiên cứu

Luận văn nghiên cứu về lý thuyết đến đặc tính cháy (tốc độ tỏa nhiệt, hệ số truyền nhiệt…) khi sử dụng D100, B10, E10 và M10 trên phần mềm mô phỏng một chiều nhiệt động GT-Power của hãng Gama Technology - Mỹ; trên cơ sở đặc tính cháy thu được từ phần mềm GT-Power sẽ là thông số đầu vào cho mô hình tính toán trạng thái nhiệt ống lót xi lanh bằng phần mềm ANSYS

Chế độ tính toán: chế độ công suất định mức

7 Nội dung nghiên cứu

Thuyết minh của luận văn được trình bày gồm các phần chính sau:

- Mở đầu

- Chương 1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

- Chương 2 Xây dựng mô hình mô phỏng bằng phần mềm GT-Power

- Chương 3 Kết quả tính toán mô phỏng động cơ V12 và trạng thái nhiệt

của ống lót xi lanh theo các loại nhiên liệu khảo sát

- Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Các nguồn năng lượng toàn cầu và tình trạng năng lượng hiện tại

Các nguồn năng lượng có thể được chia thành 3 nhóm: năng lượng hóa thạch, năng lượng tái tạo và năng lượng nguyên tử Năng lượng hóa thạch được hình thành hàng triệu năm trước nên không được gọi là nguồn tái tạo Ngày nay, do sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp ô tô trên thế giới, nên nhu cầu về dầu mỏ tăng lên nhanh chóng Thế giới đang phải đối mặt với thực tế là nguồn nhiên liệu dầu mỏ đang dần cạn kiệt Theo dự báo của các nhà khoa học trên thế giới cho biết nguồn cung dầu mỏ có thể đáp ứng nhu cầu của thế giới trong khoảng

một quốc gia đang phát triển, nhu cầu vận chuyển bằng ô tô ngày càng tăng dẫn tới nhu cầu trong nước về nhiên liệu ngày càng tăng lên

Theo kết quả điều tra của tập đoàn dầu mỏ BP của Anh quốc, trữ lượng dầu

mỏ trên trái đất đã khảo sát được khoảng 150 tỷ tấn Năm 2003, lượng dầu mỏ trên trái đất tiêu thụ khoảng 3,6 tỷ tấn Nếu không được phát hiện thêm những nguồn mới thì lượng dầu mỏ trên thế giới chỉ đủ dùng khoảng 40 năm nữa Theo các chuyên gia kinh tế trên thế giới, trong vòng 15 năm nữa, lượng dầu mỏ cung cấp cho thị trường vẫn luôn thấp hơn nhu cầu, chính vì nhu cầu về xăng dầu và khí đốt không thấy điểm dừng như vậy đã đẩy mạnh giá dầu trên thế giới Mặt khác, nguồn năng lượng trên thế giới chủ yếu lại tập trung ở các khu vực luôn có tình hình bất ổn như Trung Đông (chiếm 2/3 trữ lượng dầu mỏ trên thế giới), Trung Á, Trung Phi… Mỗi một đợt khủng hoảng giá dầu lại làm lay chuyển các nền kinh tế thế giới, đặc biệt là các nước đang phát triển như Việt Nam [8] Bên cạnh đó động cơ ô tô sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch từ dầu

mỏ phát thải ra môi trường các chất độc hại gây ra ô nhiễm môi trường, phá hủy tầng ô zôn, ảnh hưởng đến sức khỏe con người

Vì vậy việc tìm ra nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường là rất quan trọng và thiết thực Song hành cùng với việc sử dụng nhiên liệu truyền thống trên động cơ ô tô, các nhà khoa học trong và ngoài nước

đã và đang nghiên cứu tìm ra và sử dụng các nguồn nhiên liệu thay thế thân thiện với môi trường cho động cơ đốt trong

Nhằm đối phó với nguy cơ cạn kiệt năng lượng hóa thạch và ô nhiễm môi trường, các quốc gia trên thế giới đều đưa ra các chính sách đa dạng hóa nguồn năng lượng hướng tới mục tiêu giảm dần sự phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch Cộng đồng châu Âu là khu vực dẫn đầu về vấn đề này Hình 1.1 thể hiện rõ nét

nỗ lực của cộng đồng châu Âu trong mục tiêu đa dạng hóa năng lượng sử dụng cho lĩnh vực giao thông vận tải

Hình 1.1 Kịch bản đa dạng hóa nhiên liệu ở châu Âu [8]

Theo kịch bản đa dạng hóa này, các quốc gia châu Âu đưa ra mục tiêu dần thay thế nhiên liệu hóa thạch (xăng và diesel) bằng các nhiên liệu có nguồn gốc sinh học như SunFuel, SunGas, nhiên liệu tổng hợp (SynFuel), khí nén thiên nhiên (CNG) và sử dụng ô tô điện, pin nhiên liệu Với kịch bản này, đến năm 2030, lượng nhiên liệu hóa thạch sử dụng cho lĩnh vực giao thông vận tải chỉ còn chiếm chưa đến 50% tổng năng lượng sử dụng cho lĩnh vực này

1.2 Yêu cầu cơ bản của nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong

Do đặc điểm đốt cháy hỗn hợp trong không gian kín (buồng cháy của động cơ) nên nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong đòi hỏi phải đáp ứng được các yêu cầu khắt khe sau đây [8]:

- Dễ dàng hình thành hỗn hợp không khí - nhiên liệu; dễ cháy và cháy không tạo tro;

- Trọng lượng nhẹ và có mật độ năng lượng lớn;

- Dễ cung cấp cho phương tiện;

- Có thể hoạt động tức thì;

- An toàn trong tiêu thụ và tiện lợi trong vận chuyển

Với các yêu cầu ở trên, nhiên liệu lỏng được cho là loại nhiên liệu phù hợp nhất nhờ trọng lượng nhẹ, mật độ năng lượng lớn, dễ hình thành hỗn hợp với không khí và hỗn hợp không khí - nhiên liệu lỏng khi cháy hầu như không tạo ra tro Nhiên liệu lỏng được sử dụng cho động cơ đốt trong bao gồm các hợp chất hydrocacbon (H-C), chủ yếu được chế biến từ dầu thô như xăng và diesel

Nhiên liệu khí do có mật độ năng lượng tính theo thể tích thấp nên ít được

sử dụng cho các động cơ đốt trong lắp trên phương tiện di động Hiện nay, nhiên liệu khí đang được dùng làm nhiên liệu thay thế ở dạng nén hoặc hóa lỏng Các loại khí được dùng cho động cơ đốt trong ở dạng nén hoặc hóa lỏng để tăng mật

độ năng lượng, bao gồm khí thiên nhiên (NG), khí mêtan, êtan, prôpan, khí dầu

mỏ hóa lỏng (LPG), khí tổng hợp (syngas), khí hyđrô

Nhiên liệu rắn không được sử dụng trực tiếp cho động cơ đốt trong do quá trình đốt cháy sinh ra nhiều tro, tuy nhiên nó có thể sử dụng gián tiếp thông qua biện pháp khí hóa để tạo thành khí tổng hợp hoặc hóa lỏng thông qua quá trình khí hóa kết hợp với quá trình tổng hợp Fisher Tropsch (tổng hợp FT) [8]

1.3 Nhiên liệu thay thế

1.3.1 Phân loại

Nhiên liệu thay thế có thể được phân thành 2 nhóm Nhóm các nhiên liệu

có nguồn gốc hóa thạch gồm: Ethanol từ nguồn hóa thạch, khí thiên nhiên (NG - Natural Gas), khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG - Liquefied Petroleum Gas), methanol,

hy đrô, khí hóa lỏng (GTL - Gas To Liquid), than đá hóa lỏng (CTL - Coal To Liquid) và Dimethyl Ether (DME) Nhóm các loại nhiên liệu có nguồn gốc tái tạo gồm: Khí sinh học (biogas), ethanol sinh học (bio-ethanol), methanol sinh học

(bio-methanol), hy đrô, dầu thực vật (vegetable oil), diesel sinh học (bio-diesel hay FAME - Fatty Acid Methyl Ester), dầu thực vật/mỡ động vật qua xử lý hy đrô (HVO - Hydrotreating Vegetable Oil), sinh khối hóa lỏng (BTL - Biomass To Liquid) và DME

Tóm lược về các loại nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong được thể hiện trên bảng 1.1 [8]

Bảng 1.1 Phân loại nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong

Nguồn gốc Động cơ đánh lửa cưỡng bức Động cơ cháy do nén

Hóa thạch

Ethanol Methanol Khí thiên nhiên (NG) Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) Hyđrô

Than đá hóa lỏng (CTL) Khí hóa lỏng (GTL) Dimethyl Ether (DME)

Tái tạo

Bio-ethanol/ bio-methanol Khí sinh học (biogas) Hyđrô

Diesel sinh học (bio-diesel/FAME) Dầu sinh học (bio-oil)

Dầu thực vật qua xử lý hyđrô (HVO) Sinh khối hóa lỏng (BTL)

Dimethyl Ether (DME) Các loại nhiên liệu khí có nguồn gốc hóa thạch như khí thiên nhiên và khí dầu mỏ hiện đang được sử dụng rất rộng rãi làm nhiên liệu thay thế cho xăng trên động cơ dùng cho phương tiện giao thông Tuy nhiên, do mật độ năng lượng thấp nên để sử dụng được cho phương tiện vận tải cần thiết phải nén (ví dụ khí nén thiên nhiên CNG) hoặc hóa lỏng (khí dầu mỏ hóa lỏng LPG và khí thiên nhiên hóa lỏng LNG) Khí hyđrô hiện cũng đang được sử dụng thí điểm trên phương tiện giao thông ở các dạng như hyđrô nén, hyđrô hóa lỏng hoặc pin nhiên liệu Ethanol và mêthanol sinh học hiện là hai loại nhiên liệu lỏng phù hợp nhất để thay thế cho xăng

Với tính chất tương đồng với nhiên liệu diesel và khả năng đáp ứng tốt các yêu cầu đối với nhiên liệu cho động cơ cháy do nén, diesel sinh học (bio-diesel)

hiện đang là loại nhiên liệu được sử dụng nhiều nhất để thay thế cho nhiên liệu diesel Bio-diesel có thể sử dụng ở dạng nguyên chất (B100) hoặc trộn với nhiên liệu diesel với một tỷ lệ nhất định Ngoài ra, dầu thực vật và DME cũng được nhiều nước sử dụng cho động cơ cháy do nén Dầu thực vật có độ nhớt lớn nên cần phải lưu ý cải thiện (cách đơn giản nhất là sấy nóng nhiên liệu để giảm độ nhớt) đồng thời người sử dụng còn phải quan tâm đến vấn đề kết cặn trong buồng cháy và trong hệ thống cung cấp nhiên liệu, vấn đề độ bền ô xy hóa của nhiên liệu dầu thực vật Nhiên liệu DME hiện chưa thực sự phổ biến, tuy nhiên triển vọng sản xuất DME từ nguồn tái tạo là rất lớn Độ nhớt nhỏ của DME cũng là một yếu

tố cần lưu tâm nhằm đảm bảo được tính năng bôi trơn cho động cơ

Việc sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel và một loại nhiên liệu khí cũng đang nhận được quan tâm của nhiều nước [9] Các loại động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/LPG, diesel/CNG hay các loại động cơ đa nhiên liệu hiện nay đã được sản xuất, hoán cải và sử dụng khá nhiều

1.3.2 Giới thiệu về nhiên liệu sinh học

Các loại nhiên liệu sinh học (nhiên liệu có nguồn gốc tái tạo) được chia thành các thế hệ như: nhiên liệu sinh học thế hệ I, II và III Các loại nhiên liệu sinh học có thể trộn với nhiên liệu khoáng và đốt cháy trong động cơ đốt trong và phân phối qua hệ thống hạ tầng sẵn có hoặc được sử dụng trên các phương tiện có điều chỉnh thích nghi nhỏ đối với động cơ đốt trong

Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ I là loại nhiên liệu đang được thương mại phổ biến trên thị trường thế giới hiện nay như ethanol làm từ cây mía hay từ tinh bột (ngô, sắn ), diesel sinh học (bio-diesel) và dầu thực vật nguyên chất (PPO - pure plant oil) Nguồn nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất là cây mía, tinh bột, các loại hạt chứa dầu (cải dầu, hướng dương, đậu nành, cọ ) hoặc mỡ động vật Các loại nhiên liệu này thường là thực phẩm hoặc phụ phẩm của ngành thực phẩm

Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ II là nhiên liệu được sản xuất từ xenlulo và hemixenluloza (có trong sinh khối) Ethanol làm từ xenlulo và nhiên liệu FT (Fischer - Tropsch) là những ví dụ điển hình về loại nhiên liệu này

Một số tài liệu còn định nghĩa loại nhiên liệu sinh học thế hệ thứ III với nguồn nguyên liệu sản xuất là thực phẩm không ăn được như hạt jatropha (cây cọc rào hay cây dầu mè), hạt pongamia pinata (cây đậu dầu hay cây bánh dày) hoặc từ vi tảo

Nhiên liệu sinh học thế hệ I hiện đang chiếm sản lượng chính mặc dù vấn

đề an ninh lương thực đang được đặc biệt quan tâm; nhiên liệu sinh học thế hệ II

và III đang trong giai đoạn hoàn thiện công nghệ và bắt đầu được sản xuất ở quy

mô thử nghiệm để tiến tới quy mô thương mại

 Cồn sinh học

Cồn sinh học có công thức hóa học là CnH2n+1OH được xem là nhiên liệu phù hợp nhất để sử dụng cho động cơ đánh lửa cưỡng bức nhờ có trị số octane cao và tính chất vật lý, hóa học tương tự như xăng Hiện nay, cồn tồn tại ở bốn dạng là methanol (CH3OH), ethanol (C2H5OH), propanol (C3H7OH) và butanol (C4H9OH), tất cả đều là chất lỏng không màu, tuy nhiên methanol, propanol và butanol hiện ít được sử dụng cho phương tiện vận tải do giá thành sản xuất cao Ethanol được sử dụng rộng rãi hơn cả cho các phương tiện vận tải nhờ nguồn nguyên liệu dễ phát triển, giá thành sản xuất thấp và khả năng tương thích tốt với động cơ

Ethanol chủ yếu được sản xuất từ quá trình lên men các sản phẩm có đường như mía, củ cải đường , các sản phẩm ngũ cố như ngô, khoai, sắn (thế hệ I); từ phế phẩm nông, lâm nghiệp (thế hệ II) và từ vi tảo (thế hệ III) Đối với thế hệ II, phế phẩm nông, lâm nghiệp cần phải trải qua quá trình tiền chế, lên men thủy phân

để loại bỏ chất gỗ (lignin) trong nguyên liệu, sản phẩm tạo thành là glucose Sau

đó quy trình sản xuất tạo thành ethanol tương tự với quá trình sản xuất ethanol thế

hệ I Đối với ethanol thế hệ III, vi tảo sau khi thu hoạch được nghiền trước khi

thực hiện quá trình phân rã tế bào, sản phẩm là tinh bột và protein, thông qua quá trình lên men thủy phân tạo thành ethanol

Methanol hiện tại chủ yếu sản xuất từ khí thiên nhiên thông qua quá trình khí hóa và tổng hợp, trong thời gian gần đây, methanol cũng đã bắt đầu được sử sản xuất từ sinh khối nhằm giảm gánh nặng đối với nguồn nhiên liệu hóa thạch

 Dầu thực vật và bio-diesel

Dầu thực vật là dầu thu trực tiếp từ quá trình ép các hạt có dầu như hạt cải dầu, hướng dương, đậu nành, cọ, dừa, jatropha có thể được sử dụng trực tiếp cho động cơ cháy do nén hoặc dùng trong lĩnh vực chế biến thực phẩm

Bio-diesel thế hệ I là sản phẩm của quá trình este hóa dầu thực vật hoặc mỡ động vật (ví dụ như dầu cọ, dầu hạt cải dầu, dầu hạt hướng dương hay mỡ cá basa)

Bio-diesel thế hệ II được sản xuất từ sinh khối theo quy trình khí hóa (gasification) và sau đó là tổng hợp theo quá trình Fischer - Tropsch BTL (biomass to liquid, còn được gọi là diesel tổng hợp) là một ví dụ điển hình của bio-diesel thế hệ II Bio-diesel làm từ dầu ăn đã qua sử dụng, từ dầu của các hạt

có dầu không ăn được như hạt jatropha và từ vi tảo được gọi là diesel sinh học thế

hệ III

 Dầu nhiệt phân và dầu thực vật qua xử lý hy đrô (HVO)

Dầu thực vật qua xử lý hy đrô (HVO) có thể nói là một trong những loại nhiên liệu nguồn gốc sinh học tiềm năng hiện nay HVO là hỗn hợp của các hydrocacbon dạng parafin, không chứa lưu huỳnh và các chất thơm Thuộc tính của HVO có thể điều chỉnh để đáp ứng các yêu cầu của từng vùng bằng cách thay đổi trong quy trình sản xuất như bổ sung quy trình xử lý xúc tác HVO có trị số xetan rất cao, trong khi các thuộc tính khác thì tương tự như đối với FT - diesel tổng hợp, GTL và BTL bằng quy trình Fischer - Tropsch Ngoài ra, HVO là nhiên liệu hydrocacbon nên đáp ứng được tất cả các yêu cầu đối với nhiên liệu truyền thống (EN 590, ASTM D 975) ngoại trừ chỉ tiêu giới hạn dưới của tỷ trọng

1.3.3 Các loại nhiên liệu khác

Ngoài các loại nhiên liệu sinh học được mô tả ở trên, các loại nhiên liệu khí, khí tổng hợp và nhiên liệu lỏng tổng hợp cũng đã và đang được sử dụng hoặc đang trong quá trình nghiên cứu sử dụng cho động cơ đốt trong [8]

 Khí thiên nhiên và khí sinh học biogas

Khí thiên nhiên thường được sử dụng làm chất đốt để sưởi ấm, sản xuất điện năng và phục vụ cho công nghiệp Thành phần chính của khí thiên nhiên là mêtan, CH4 (80 ÷ 90%), còn lại là các thành phần khác như C2H6, C3H8, C4H10 Khí thiên nhiên có tính chất phù hợp để sử dụng trên động cơ, đặc biệt là động cơ đánh lửa cưỡng bức Nhằm nâng cao mật độ năng lượng, khí thiên nhiên thường được nén (CNG, với áp suất nén 200 ÷ 250 bar trong điều kiện nhiệt độ môi trường) hoặc hóa lỏng (LNG, ở nhiệt độ -1270C trong điều kiện áp suất môi trường

và ở nhiệt độ -1610C khi áp suất là 6 ÷ 8 bar)

Khí sinh học biogas là hỗn hợp khí mêtan và một số khí khác phát sinh từ

sự phân hủy các vật chất hữu cơ Thành phần chính của biogas là CH4 (50 ÷ 60%)

và CO2 ( 30%) còn lại là các chất khác như hơi nước N2, O2, H2S, CO được thủy phân trong môi trường yếm khí, xúc tác nhờ nhiệt độ từ 20 ÷ 400C Biogas

có thể sử dụng cho động cơ đốt trong nếu được làm sạch các thành phần có ảnh hưởng lớn dến động cơ như H2S và hơi nước, cũng như nâng cao hàm lượng mêtan trong hỗn hợp nhằm nâng cao nhiệt trị của nhiên liệu Việc sử dụng khí biogas cho phương tiện vận tải gặp phải không ít khó khăn do hàm lượng của thành phần mêtan khá thấp và thấp hơn nhiều so với khí thiên nhiên

thường LPG được chứa trong bình ở áp suất khoảng 8 bar với tỷ lệ propan/butan khoảng 60% /40%

 Hyđrô và khí giàu hyđrô

Hyđrô có thể được sản xuất từ nguồn hyđrô các bon hóa thạch, từ nước và

từ sinh khối bằng các phương pháp như reforming hơi nước, ô xy hóa không hoàn toàn, nhiệt phân khí thiên nhiên, thu hồi từ quá trình reforming và điện phân nước

Có ba phương pháp đã được áp dụng để tồn trữ hyđrô là: Tích trữ ở thể lỏng

ở -2350C trong bình đông lạnh; dưới dạng hyđrua kim loại như hyđrua sắt - titan FeTiH2 hoặc dạng khí nén ở áp suất từ 20 đến 70 MPa Hyđrua kim loại giải phóng hyđrô khi được nung nóng bằng nguồn nhiệt như hệ thống xả của ô tô Phương pháp tồn trữ hyđrô phổ biến nhất là ở thể lỏng và hyđrua kim loại, cả hai phương pháp này đều có khả năng lưu trữ tương đương về mặt thể tích và đều cần thể tích gấp 10 lần so với thùng chứa 5 galông xăng

Hyđrô hiện được cho là nguồn tiềm năng làm pin nhiên liệu để sản sinh điện năng Mặc dù còn có những vấn đề khó khăn về quá trình tồn trữ và giá thành, nhưng với nhiệt trị lớn (theo khối lượng) và nguồn nguyên liệu được xem là vô

hạn nên hiện tại hyđrô được xem là "nhiên liệu của tương lai"

Khí giàu hyđrô là hỗn hợp của khí hyđrô và một số khí khác như ôxy (trong khí HHO), CO (trong khí tổng hợp) cùng một số tạp chất khác Khí giàu hyđrô thường được sử dụng trên động cơ như là một phụ gia nhiên liệu bằng cách bổ sung khí vào đường nạp nhằm cải thiện quá trình cháy và giảm phát thải ô nhiễm

 Dimethyl Ether - DME

Dimethyl Ether (DME), công thức hóa học là CH3-O-CH3, là loại nhiên liệu

có thề làm khí đốt và có khả năng thay thế cho diesel trên động cơ cháy do nén nhờ có trị số xetan cao DME có thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau như nhiên liệu gốc hóa thạch, than đá, khí thiên nhiên và sinh khối

 Than hóa lỏng và khí tổng hợp hóa lỏng

Than đá sau quá trình khí hóa, tạ ra syngas và thực hiện quá trình Fischer - Tropch (FT) để tạo thành FT-diesel (CTL) Trong khi đó, GTL được điều chế từ

khí mê tan, CH4 (có thể từ nguồn gốc tái tạo như biogas hoặc từ nguồn gốc hóa thạch như khí thiên nhiên) Các sản phẩm nhiên liệu được sản xuất từ khí mê tan gồm methanol, DME hoặc FT-diesel

1.4 Viễn cảnh sử dụng nhiên liệu cho động cơ đốt trong

Hình 1.2 trình bày các loại nhiên liệu có thể sử dụng để thay thế hoặc sử dụng đồng thời với nhiên liệu truyền thống dưới dạng trộn lẫn với nhau (đối với nhiên liệu lỏng) hoặc ở dạng lưỡng nhiên liệu/đa nhiên liệu (khi nhiên liệu thay thế ở thể khí)

Hình 1.2 Các loại nhiên liệu thay thế dùng cho động cơ đốt trong [8]

Các loại nhiên liệu thay thế ở dạng lỏng hiện đang được sử dụng rộng rãi bao gồm: methanol, ethanol, bio-diesel, dầu thực vật (vegetable oil), ETBE/MTBE, diesel pha trộn với ethanol (E-diesel) Các loại nhiên liệu hứa hẹn

sẽ được sản xuất và sử dụng rộng rãi trong tương lai gồm Butanol, HVO, GTL/CTL và BTL

Các loại nhiên liệu thay thế ở dạng lỏng hiện đang sử dụng rộng rãi gồm CNG, LPG và Biogas, trong khi DME và đặc biệt là khí hy đrô hứa hẹn sẽ có tương lai rất lớn trong việc thay thế cho các loại nhiên liệu truyền thống

Từ kinh nghiệm nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu thay thế, có thể thấy rõ ràng rằng các động cơ được thiết kế theo các yêu cầu hướng tới tương thích với

các loại nhiên liệu nhất định (tạm gọi là các loại nhiên liệu quy định) Khi nhiên liệu sử dụng trên thực tế đáp ứng được các yêu cầu về chủng loại cũng như tính chất của nhiên liệu quy định thì động cơ sẽ hoạt động bình thường Nhưng khi tính chất của nhiên liệu thay thế không đáp ứng được các yêu cầu của nhiên liệu quy định thì động cơ có thể vận hành ngoài vùng thiết kế và đương nhiên các thông số tính năng như công suất, tiêu thụ nhiên liệu, hiệu suất, các thành phần khí thải sẽ bị ảnh hưởng

Có hai giải pháp đối với vấn đề này Thứ nhất là cải tiến động cơ, tức là điều chỉnh các yêu cầu thiết kế liên quan đến việc tương thích với nhiên liệu quy định nhằm đáp ứng được tính chất của nhiên liệu thay thế hoặc tính chất của nhiên liệu thay thế phải được cải thiện để đáp ứng được yêu cầu của nhiên liệu quy định Điều quan trọng nhất của vấn đề này đó là thiết lập tiêu chuẩn để đáp ứng được yêu cầu từ cả hai phía Việc lựa chọn giải pháp nào và thời gian, chi phí đối với giải pháp đó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kỹ thuật, địa điểm, tiềm lực kinh tế,

xã hội và cả chính trị

1.5 Tổng quan về truyền nhiệt trong động cơ đốt trong

1.5.1 Truyền nhiệt trong động cơ

Nhiệt độ của môi chất công tác trong xi lanh biến thiên với biên độ lớn Nhiệt độ cuối quá trình nạp khoảng 310 420 [K] nhưng khí cháy đạt tới trị số

1750  2800 [K] [2] Nhiệt độ cực đại cho phép của vật liệu đối với các chi tiết trong không gian buồng cháy bị giới hạn và thấp hơn giá trị cực đại của khí cháy Chính vì vậy cần phải làm mát cho nắp xi lanh, xi lanh và pít tông Trong quá trình làm việc, dòng nhiệt đối với các chi tiết rất không đồng đều, trong quá trình cháy, dòng nhiệt truyền cho thành vách buồng cháy có thể lên tới 10 MW/m2

nhưng ở những quá trình khác của chu trình công tác, dòng nhiệt là rất nhỏ, thậm chí bằng không

Dòng nhiệt này phụ thuộc nhiều vào vị trí, có giá trị lớn nhất tại những vùng

có khí cháy nhiệt độ cao và chuyển động với tốc độ lớn Ở những vùng dòng nhiệt cao, ứng suất nhiệt phải được giữ thấp hơn mức có thể gây nên phá hỏng vì mỏi

(thấp hơn khoảng 400 0C đối với gang và 300 0C đối với hợp kim nhôm) Bề mặt

bôi trơn Bugi đánh lửa và xu páp phải được làm mát để tránh hiện tượng đánh lửa sớm và tiếng gõ động cơ Chính vì vậy, giải quyết vấn đề trao đổi nhiệt là một nhiệm vụ quan trọng trong thiết kế động cơ

Trao đổi nhiệt ảnh hưởng tới hiệu suất, công suất động cơ và sự phát thải Đối với một lượng nhiên liệu đưa vào xi lanh, trao đổi nhiệt đối với thành vách buồng cháy lớn sẽ làm giảm nhiệt độ và áp suất trung bình của khí cháy và sẽ làm giảm công chỉ thị của chu trình Do vậy công suất và hiệu suất chỉ thị bị ảnh hưởng bởi lượng trao đổi nhiệt của động cơ

1.5.2 Các mô hình truyền nhiệt

Có ba dạng trao đổi nhiệt cơ bản, đó là:

- Trao đổi nhiệt dẫn nhiệt

- Trao đổi nhiệt đối lưu (đối lưu tự nhiên, đối lưu cưỡng bức, đối lưu trong môi trường một pha, đối lưu trong môi trường biến đổi pha)

- Trao đổi nhiệt bức xạ

1.5.2.1 Trao đổi nhiệt dẫn nhiệt

Dẫn nhiệt được thực hiện bằng chuyển động nhiệt của những phần tử vi

mô Trong kim loại dẫn nhiệt được thực hiện bằng chuyển động của các điện tử

tự do, trong chất lỏng và chất rắn dẫn nhiệt được thực hiện bằng chuyển động nhiệt của nguyên tử, phân tử của những phần vật chất cạnh nhau, trong chất khí dẫn nhiệt được thực hiện bằng truyền năng lượng khi các phần tử khí va chạm nhau

Fourier đã giả thiết dòng nhiệt như dòng chất chảy không có trọng lượng

Trường nhiệt độ ổn định: T = T(x,y,z)

 Gradient nhiệt độ

Gradient nhiệt độ là sự thay đổi nhiệt độ trên một đơn vị chiều dài theo phương pháp tuyến của bề mặt đẳng nhiệt, nó là đại lượng véc tơ, chiều theo chiều tăng nhiệt độ



T j y



 +

T k z



trong đó:

0

n - véc tơ đơn vị trên phương pháp tuyến;

i, j,k - véc tơ đơn vị trên các trục của hệ trục tọa độ

 Mật độ dòng nhiệt và định luật Fourier

Lượng nhiệt đi qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian gọi là mật độ dòng nhiệt và theo định luật Fourier thì mật độ dòng nhiệt tỉ lệ thuận với gradient nhiệt độ

 Hệ số dẫn nhiệt

Hệ số dẫn nhiệt VL [W/m.K] là lượng nhiệt dẫn qua một đơn vị bề mặt đẳng nhiệt trong một đơn vị thời gian khi mà gradient nhiệt độ bằng một đơn vị

Hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào tính chất vật chất và nhiệt độ được xác định bằng thực nghiệm

1.5.2.2 Trao đổi nhiệt đối lưu

Trao đổi nhiệt đối lưu là một dạng cơ bản của truyền nhiệt được thực hiện bằng chuyển động của chất lỏng hoặc chất khí tiếp xúc với bề mặt ngăn cách

Chất lỏng hoặc chất khí được gọi là chất chảy tiếp xúc với bề mặt ngăn cách thường là bề mặt vật rắn có độ chênh lệch nhiệt độ tạo ra dòng nhiệt trao đổi nhiệt đối lưu Dòng nhiệt trao đổi nhiệt đối lưu phụ thuộc vào tính chất vật lý của chất chảy, điều kiện chảy và trạng thái bề mặt của vật rắn Xác định dòng nhiệt trao đổi nhiệt đối lưu theo công thức Newton-Richman:

Dòng nhiệt riêng:

q = Q

F = .△T [W/m2] trong đó:

 [W/m2.K] - là hệ số trao đổi nhiệt đối lưu phụ thuộc vào tính chất chảy, điều kiện chảy, hình dạng và kích thước vật và được xác định bằng thực nghiệm;

F [m2] - là diện tích bề mặt trao đổi nhiệt đối lưu;

△T [0C] - là độ chênh nhiệt độ;

△T = Tw - Tf khi nhiệt độ vách Tw lớn hơn nhiệt độ chất chảy Tf;

△T = Tf - Tw khi nhiệt độ chất chảy Tf lớn hơn nhiệt độ vách Tw

Dòng nhiệt trao đổi nhiệt đối lưu được dẫn qua lớp biên tiếp xúc giữa chất chảy và bề mặt vật rắn, xác định theo định luật Fourier:

1.5.2.3 Trao đổi nhiệt bức xạ

Bức xạ nhiệt là một dạng cơ bản của truyền nhiệt được thực hiện bằng những sóng điện từ Khác với dẫn nhiệt và đối lưu (là dạng truyền nhiệt tiếp xúc), bức xạ nhiệt là dạng truyền nhiệt không tiếp xúc

Sự truyền bá các tia nhiệt trong không gian gọi là bức xạ nhiệt, quá trình trao đổi nhiệt dưới dạng bức xạ gọi là quá trình trao đổi nhiệt bức xạ

Tất cả các vật trong không gian, một mặt biến nội năng thành năng lượng bức xạ, mặt khác lại hấp thụ một phần năng lượng bức xạ của các vật khác để biến thành nội năng Khi nhiệt độ của các vật bằng nhau, năng lượng phát đi và hấp thụ trong mỗi vật sẽ bằng nhau, ta nói vật ở trạng thái cân bằng

Khác với trao đổi nhiệt dẫn nhiệt và đối lưu, ở đây quá trình trao đổi nhiệt bức xạ không chỉ phụ thuộc vào độ chênh lệch nhiệt độ mà còn phụ thuộc vào giá trị tuyệt đối của nhiệt độ các vật

Trong động cơ đốt trong có hai nguồn trao đổi nhiệt bức xạ [2]: nguồn nhiệt

từ khí cháy với nhiệt độ cao và các hạt bồ hóng trong ngọn lửa động cơ diesel Trong động cơ xăng, ngọn lửa lan truyền ngang qua buồng cháy từ điểm đánh lửa qua hỗn hợp nhiên liệu (nhiên liệu và không khí) đã được hòa trộn trước Mặc dù phía trước ngọn lửa là tương đối sáng chói, tất cả các phản ứng hóa học trung gian

là thể khí Quá trình cháy thực sự hoàn tất vào đầu quá trình giãn nở Trong động

cơ diesel, đa số nhiên liệu cháy trong ngọn lửa rối khuếch tán khi nhiên liệu và không khí hòa trộn cùng nhau Có thể có nhiều điểm cháy và ngọn lửa phù hợp với tia phun nhiên liệu cho đến khi bị phân tán bởi chuyển động rối của dòng

không khí Khi ngọn lửa sáng hơn và những hạt bồ hóng (chủ yếu là Carbon) được hình thành ở giữa quá trình cháy

Trao đổi nhiệt bức xạ từ hạt bồ hóng trong ngọn lửa động cơ diesel vào khoảng 5 lần so với bức xạ từ khí cháy Trao đổi nhiệt bức xạ trong động cơ xăng thông thường là nhỏ so với quá trình trao đổi nhiệt đối lưu Tuy nhiên, trao đổi nhiệt bức xạ trong động cơ diesel là không đáng kể, chiếm 20  35% tổng số lượng nhiệt trao đổi

1.5.2.4 Quá trình trao đổi nhiệt tổng quát trong động cơ

Hình 1.3 giới thiệu sơ đồ quá trình trao đổi nhiệt từ khí cháy trong xi lanh động cơ qua thành vách buồng cháy tới nước làm mát Hình 1.4 giới thiệu sơ đồ truyền nhiệt đối lưu tới thành buồng cháy

Hình 1.3 Sơ đồ phân bố nhiệt độ và dòng nhiệt

ngang thành vách buồng cháy

Hình 1.4 Sơ đồ truyền nhiệt đối lưu tới thành buồng cháy, [2]

M«i chÊt c«ng t¸c

Dòng nhiệt trao đổi với thành vách ở cả hai dạng thông thường, đối lưu và bức xạ Sau đó dòng nhiệt được dẫn nhiệt qua thành vách và cuối cùng được đối lưu từ thành tới nước làm mát

Trong mỗi chu trình công tác của động cơ đốt trong, trao đổi nhiệt diễn ra dưới điều kiện nhiệt độ, áp suất và tốc độ dòng khí thay đổi Tốc độ dòng khí thay đổi nhiều hay ít phụ thuộc vào hình dạng buồng cháy và cửa nạp Hơn nữa, diện tích bề mặt buồng cháy thay đổi theo chu trình Dòng nhiệt trong thành vách thay đổi một cách liên tục từ một giá trị âm trong suốt quá trình nạp tới giá trị dương

ở đầu quá trình giãn nở Quá trình truyền nhiệt đối lưu từ khí cháy tới thành vách được mô tả trên hình 1.4, trong đó lớp biên thủy lực đóng vai trò quan trọng tới nhiệt độ bề mặt gương xi lanh Tuy nhiên, để mô phỏng chính xác lớp màng thủy lực này gặp rất nhiều khó khăn lên trong quá trình tính toán trường nhiệt độ của

xi lanh bỏ qua ảnh hưởng của lớp biên này

1.6 Các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến nội dung đề tài

Có thể thấy rằng, vấn đề nghiên cứu sử dụng các loại alcohol làm nhiên liệu thay thế cho xăng khoáng đã được nghiên cứu khá tỉ mỉ và thu được những kết quả rất quan trọng Ở Việt Nam, đến nay đã có một số công trình nghiên cứu về

sử dụng xăng sinh học Trong đó các nghiên cứu chủ yếu liên quan đến việc đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học (có tỷ lệ cồn ethanol nhỏ và thậm chí có tỷ lệ cồn ethanol tới 100%) đến động cơ xăng truyền thống và một số ít nghiên cứu liên quan đến việc chuyển đổi động cơ xăng dùng chế hòa khí sang sử dụng cồn ethanol Trên thế giới, nghiên cứu sử dụng xăng sinh học cho động cơ xăng đã được tiến hành rất tỉ mỉ và công phu Từ việc đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học trên động cơ xăng cho đến thiết kế chế tạo động cơ mới chuyên dụng cho phương tiện sử dụng nhiên liệu linh hoạt FFV - Flexible Fuel Vehicles Thông thường xăng sinh học cho phương tiện FFV có tỷ lệ cồn ethanol tới 85% (E85)

Vấn đề sử dụng alcohol cho động cơ diesel chưa được đề cập trong các nghiên cứu ở Việt Nam Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu sử dụng các loại nhiên liệu alcohol khác nhau cho động cơ cháy do nén [11 ÷ 29] Các

công trình này chủ yếu tập trung đánh giá ảnh hưởng của các loại nhiên liệu alcohol tới các chỉ tiêu năng lượng, kinh tế và phát thải của động cơ Một số công trình đã phân tích đánh giá ảnh hưởng của các loại nhiên liệu alcohol tới đặc tính cháy

Như vậy có thể thấy rằng, nghiên cứu sử dụng các nhiên liệu alcohol cho động cơ cháy do nén (động cơ diesel) vẫn còn khá hạn chế đặc biệt là ở Việt Nam

Về các công trình liên quan đến vấn đề phụ tải nhiệt và truyền nhiệt trên động cơ có thể kể đến các công trình của các tác giả Nguyết Viết Cường, Nguyễn

Lê Văn và Nguyễn Trung Kiên

Trong công trình “Nghiên cứu trạng thái ứng suất nhiệt nắp xi lanh động

cơ xăng” của Nguyễn Viết Cường, tác giả đã nghiên cứu trạng thái ứng suất nhiệt nắp xi lanh động cơ xăng UAZ 451 Từ các kết quả nghiên cứu của luận án cho thấy vùng cầu nối giữa hai xu páp và cửa xả là những vùng có nhiệt độ cao nhất (tương ứng là 716 và 681 [K]) Trường nhiệt độ của nắp xi lanh phân bố không đồng đều, có sự chênh lệch lớn về nhiệt độ giữa các vị trí của nắp xi lanh Đây là nguyên nhân gây ra rạn nứt, cong, vênh nắp xi lanh trong quá trình làm việc, ảnh hưởng tới khả năng bao kín buồng cháy và độ tin cậy làm việc của động cơ

Trong luận án tiến sĩ “Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến sự tương

tác của cặp pít tông - xi lanh động cơ diesel lai máy phát điện tàu thủy” của Nguyễn Lê Văn, tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến sự tương

tác của cặp pít tông - xi lanh động cơ diesel lai máy phát điện tàu thủy Các kết quả nghiên cứu đã công bố cho thấy khi có xét đến ảnh hưởng của phụ tải nhiệt, vận tốc chuyển động phụ của pít tông trong khe hở giữa pít tông và xi lanh giảm

đi một cách đáng kể, làm giảm lực va đập giữa pít tông và xi lanh và khẳng định

sự cần thiết phải tiến hành sấy nóng động cơ đến một nhiệt độ nhất định trước khi cho động cơ nhận tải để tránh va đập và hao mòn cho cặp pít tông - xi lanh động

cơ

Trong luận án tiến sĩ “Nghiên cứu ảnh hưởng của mức độ tăng áp đến phụ

tải nhiệt của động cơ diesel” của Nguyễn Trung Kiên, tác giả đã nghiên cứu ảnh

hưởng của các mức độ tăng áp khác nhau đến phụ tải nhiệt của động cơ; thông qua các kết quả tính toán và thực nghiệm, để đảm bảo độ tin cậy làm việc của động cơ khảo sát theo các chỉ tiêu phụ tải nhiệt khi tăng áp bằng bộ tua bin biến

áp chỉ nên sử dụng hệ số k 2,0

Như vậy có thể thấy rằng, vấn đề nghiên cứu trạng thái nhiệt của ống lót

xi lanh nói riêng và phụ tải nhiệt của động cơ nói chung đã có một số công trình tiêu biểu kể trên đề cập tới; tuy nhiên, chưa có công trình nào đề cập tới khi động

cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu cồn - diesel

sẽ làm giảm ô nhiễm khí thải, tăng cường kinh tế nông nghiệp, tạo nhiều cơ hội việc làm và giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch

- Việc sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn làm nhiên liệu cho phương tiện, đặc biệt ở điều kiện Việt Nam giúp giảm sự phụ thuộc vào được sản xuất thông qua việc phối trộn giữa xăng khoáng và cồn ethanol đang là loại nhiên liệu sinh học được ứng dụng và phát triển rộng rãi trên thế giới nhằm đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng gia tăng của con người đồng thời góp phần giảm thiểu

ô nhiễm môi trường

- Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu sử dụng ethanol với tỷ

lệ khác nhau và công nghệ khác nhau cho động cơ đốt trong, nhưng chủ yếu cho động cơ đánh lửa cưỡng bức, chưa quan tâm nhiều cho động cơ cháy do nén (động

cơ diesel) vì ethanol có tính tự cháy kém Để nâng cao tỷ lệ ethanol thay thế cho nhiên liệu hóa thạch cần tăng cường nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ diesel là động cơ chiếm tới 50% tổng số động cơ đốt trong

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG

BẰNG PHẦN MỀM GT-POWER 2.1 Giới thiệu phần mềm GT-Power

2.1.1 Giới thiệu chung

Phần mềm GT-Power nằm trong bộ phần mềm GT-Suite do hãng Gama Technologies của Mỹ xây dựng và phát triển Hiện nay phần mềm GT-Power đã được thương mại hóa trên toàn cầu Phần mềm này đang được các công ty lớn trên thế giới trong lĩnh vực sản xuất động cơ, xe đua công thức 1, tàu thủy và các trung tâm nghiên cứu, các trường đại học sử dụng GT-Power là công cụ mô phỏng động cơ chuyên nghiệp, áp dụng cho các loại động cơ đốt trong 2 kỳ hoặc 4 kỳ,

sử dụng cho phương tiện vận tải đường bộ, tàu thuyền, trạm phát điện, xe thể thao… GT-Power cung cấp cho người sử dụng nhiều phần tử để mô hình hóa bất

kỳ bộ phận nào của động cơ Nó có khả năng liên kết (link) với các phần mềm khác để mô phỏng hiệu quả và chính xác hơn như phần mềm CFD Star-CD, Fulent, Simulink, … Nó được tích hợp các công cụ mạnh phục vụ thiết kế như DOE/optimization (thiết kế theo thực nghiệm/tối ưu hóa), mô hình sơ đồ mạng nơ rôn và điều khiển… GT-Power được xây dựng cho việc tính toán trạng thái ổn định và trạng thái chuyển tiếp GT-Power có thể sử dụng như một công cụ riêng, cũng có thể được liên kết với bộ GT khác như:

- GT-Drive (hệ thống truyền lực);

- GT-VTrain (hệ thống phân phối khí);

- GT-Fuel (hệ thống nhiên liệu);

- GT-Cool (hệ thống làm mát);

- GT-Crank (cơ cấu khuỷu trục thanh truyền)…

Các ứng dụng chính của GT-Power:

- Xây dựng đặc tính mô men và tiêu thụ nhiên liệu của động cơ;

- Thiết kế và hiệu chỉnh đường ống;

- Đặc tính chuyển tiếp và phản ứng của hệ thống;

- Tối ưu hóa trị số thời gian – thiết diện;

- Tính toán mô phỏng cháy và khí xả;

- Tăng áp và liên kết tuabin – máy nén;

- Thiết kế hệ thống tuần hoàn khí xả (EGR);

- Tính toán âm (độ ồn nạp, thải);

- Đặc tính kéo của phương tiện;

- Tính toán chu trình nhiệt của động cơ;

- Mô phỏng hệ thống điều khiển;

- Mô phỏng theo biến thời gian thực của động cơ;

- Tính toán thiết kế với DOE (Design of Expremental)

2.1.2 Cửa sổ giao diện chính

Phần mềm GT-Power có cửa sổ giao diện dùng để xây dựng mô hình và tính toán như cửa sổ giao diện của các phần mềm hiện đại khác như: SolidWork, Inventor, AVL-BOOTS,…

Cửa sổ giao diện chính trên hình 2.1 bao gồm [9]:

Các thanh công cụ File, Edit, View, Run, DOE, Assembly, Tools, Window

và Help Công dụng của các thanh công cụ được diễn giải cụ thể trong phần Help Các biểu tượng chức năng được sắp xếp bên dưới của các thanh công cụ Các phần

tử có sẵn của chương trình được sắp xếp bên trái màn hình Quá trình xây dựng

mô hình được thực hiện bên phải màn hình Các phần tử tham gia quá trình xây dựng mô hình được đưa từ bên trái mành hình (danh mục các phần tử) sang bên phải màn hình (trong vùng xây dựng mô hình) bằng lệnh coppy Việc thay đổi kích thước, khoảng cách và hướng của các phần tử được thực hiện bởi các phím

và biểu tượng chức năng khác nhau

Sau khi thực hiện xong việc lựa chọn và định vị các phần tử trên vùng xây dựng mô hình, tiếp tục việc nối các phần tử với nhau thông qua các phần tử liên kết Số lượng các phần tử được lựa chọn phù hợp với từng loại động cơ

Hình 2.1 Cửa sổ giao diện GT-Power

Các phần tử được nhập dữ liệu ngay trên giao diện cửa sổ phụ Định nghĩa các thuộc tính của các phần tử có trong thư viện GT-Suite

2.2 Thư viện các phần tử của GT-Power

Thư viện các phần tử dòng chảy (flow) bao gồm các phần tử bộ phận (component), các phần tử liên kết (connection), các phần tử tra cứu (reference)

Các phần tử bộ phận gồm: phần tử xy lanh, trục khuỷu, hộp trục khuỷu, đường ống, rẽ nhánh, tuabin, máy nén, điều kiện môi trường, tiết lưu,…

Các phần tử liên kết gồm: phần tử vòi phun, bơm cao áp, xu páp,…

Các phần tử của mô hình động cơ khảo sát bao gồm:

2.2.1 Phần tử xy lanh (EngCylinder)

Hình 2.2 Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử xy lanh

Phần tử này dùng định nghĩa các đặc trưng của xy lanh động cơ Dữ liệu cần nhập vào cho phần tử này bao gồm:

- Start of Cycle (CA at IVC): Góc quay trục khuỷu tại điểm bắt đầu chu

trình tính Giá trị này không ảnh hưởng đến tính toán mô phỏng, thường được chọn ngầm định “def’’

- Cylinder Geometry Object: Định nghĩa các thông số hình học của xy lanh

và pít tông

- Initial State Name: Phần tử tra cứu diễn tả các giá trị điều kiện đầu bên

trong xy lanh

- Reference State for Volumetric Efficiency: Điều kiện chuẩn để xác định

hệ số nạp Điều kiện này thường tuân theo các điều kiện biên môi trường

- Cylinder Combustion Mode: Lựa chọn mô hình cháy, có nhiều mô hình

cháy được sử dụng như mô hình Wibe, Woschni,…

- Independent: Trong mô hình này tốc độ cháy trong mỗi xy lanh được tính

độc lập Chức năng này được chọn cho tất cả chế độ cháy ngoại trừ động cơ có buồng cháy trước và buồng cháy xoáy lốc

- Master, Slave: Lựa chọn này áp dụng để tính toán cho các loại động cơ có

buồng cháy trước và buồng cháy xoáy lốc

2.2.2 Phần tử cơ cấu phân phối khí (ValveCamconn)

Hình 2.3 Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử cơ cấu phân phối khí

Phần tử này định nghĩa các thông số của cam đóng mở xu páp nạp và xu páp thải, bao gồm các thông số hình học, biên dạng cam và đặc tính dòng chảy qua xu páp

- Valve reference diameter: Đường kính nấm xu páp;

- Valve Lash: Khe hở nhiệt của đuôi xu páp;

- Cam Timing Angle: Góc làm việc của cam;

Ngoài ra, các tham số cần được đưa vào là độ nâng xu páp theo góc quay trục khuỷu, các giá trị về hệ số dòng chảy theo độ nâng xu páp được biểu diễn dưới dạng bảng trong menu Lift Array, Flow Array,…

2.2.3 Phần tử vòi phun (InjProfileConn)

Hình 2.4 Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử vòi phun

Phần tử này được dùng để mô tả vòi phun nhiên liệu Chức năng chính của vòi phun là phun nhiên liệu với áp suất cao vào buồng cháy động cơ

Một số kiểu vòi phun được mô tả sẵn là: vòi phun kiểu chốt, kiểu kim phun, đơn cấp, đa cấp Các thông số cần nhập vào mô hình gồm:

- Inject Mass: lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình;

- Start of Injection: Góc phun sớm nhiên liệu theo góc quay trục khuỷu;

- Nozzle Type Injection: Kiểu lỗ phun;

2.2.4 Phần tử các thông số chung của động cơ (Engine CrankTrain)

Phần tử này xác định các thuộc tính chung của động cơ Các mô hình của

cơ cấu khuỷu trục - thanh truyền, biến áp suất cháy trong xy lanh thành mô men

có ích trên trục khuỷu

Hình 2.5 Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử các thông số động cơ

Các thông số cần nhập vào phần tử bao gồm:

- Engine Type: Loại động cơ 2 kỳ hay 4 kỳ;

- Number of cylinder: Số xy lanh động cơ;

- Configuration of cylinder: Bố trí xi lanh 1 hàng hay chữ V;

- Speed or load specification: Xác định chế độ tính toán theo tốc độ vòng

quay (speed) hay phụ tải (Load)

- Engine speed: Số vòng quay động cơ ở chế độ khảo sát;

- Engine Friction Object: Tổn hao do mát sát

- Start of Cycle (CA at IVC): Góc quay trục khuỷu tại điểm bắt đầu chu

trình tính, trước điểm chết trên

- Firing order: Thứ tự công tác của động cơ;

- Cylinder Geometry: Các thông số hình học của xy lanh như đường kính

xy lanh, hành trình pít tông, chiều dài thanh truyền, tỷ số nén, …

2.2.5 Phần tử EndEnvironment (các biến môi trường)

Phần tử này mô tả các điều kiện biên môi trường đầu vào và đầu ra của mô hình

2.2.6 Phần tử đường ống (Pipe)

Hình 2.6 Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử đường ống

Phần tử này được sử dụng để xác định các thuộc tính về hình dáng hình học của đường ống Phần mềm sẽ tự động tính toán tổn thất áp suất tại các chỗ cong, tiết diện co thắt

Các thông số đầu vào của mô hình bao gồm:

- Diameter at Inlet End: Đường kính đầu vào của ống;

- Diameter at Outlet End: Đường kính đầu ra của ống;

- Length: Chiều dài ống

- Discretization Length: Chiều dài rời rạc đường ống, thông số này cho phép

chia đường ống thành các đoạn nhỏ để tính toán

- Surface Roughness: Độ nhám thành ống Thông số này được sử dụng để

xác định tổn thất dòng, đối với các loại vật liệu và phương pháp gia công khác nhau sẽ có giá trị khác nhau và được lựa chọn theo các khuyến cáo trong phần trợ giúp của phần mềm